用于太空与地球的自灭菌/无DNA涂料

材料科学家们常说，设备设计工程师最后考虑的问题才是建造设备所用的材料。这种说法虽然有点夸张，但在设计太空探测器，包括设计搜寻地球以外的太阳系天体上的微生物生命体的先进设备时，的确很少会首先考虑材料。但这种方式即将被改变。太空生命搜索任务对涂料提出了极高要求，迫使涂料进行相应改变，这与许多在地球上适用的涂料应用通常所要求的改变并无不同生命探测器设计的改变是由于涂层的发展而产生的，它能够将前向与后向微生物污染的统计概率降到零。要理解这一点的重要性，不妨看看美国国家航空航天局（NASA）的一项估计——正在周游火星盖尔陨石坑的好奇号火星探测车上目前正搭载着数十万的活细菌孢子1。因为检测类地微生物生命的微生物的痕迹是一种极其敏感的实验，没有一种万全的表面能庇护源自地球的细菌或病毒，或生物大分子如细胞碎片、脂质膜、酶，抑或包含遗传信息的核酸。自灭菌涂层就能满足消除一切假阳性结果这一极端性要求，它能防止源自地球的微生物、病毒或游离核酸对太阳系外行星目标造成污染，而这些系外行星目标上可能存在液态水，进而可能存在外星生命。由于这种检测是基于侦测极其罕见的微生物或信息分子，因而消除假阳性尤为关键。将系外行星样本送回地球时，将会针对涂层强制执行同样严格的规范，即要求不断自净化、自灭菌以防止后向污染的意外释放。

为航天器研制的这些先进涂料很可能对人类健康领域产生深远影响。例如，在减少抗菌素耐药性的环境发展、以及在抑制其通过DNA（以及以更有限的方式，如RNA）转移而在微生物种群内迅速扩散方面，这种涂层将很可能发挥关键作用。某些细胞能在某一抗生素使用标准基因转移过程（包括细胞复制和核材料的细胞交换）对其它抗生素敏感型细胞发起的挑战中存活，通常可以从中观察到这种基因转移。在更有限的情况下，由于碰到完整的DNA/RNA裸链或环境稳定型噬菌体（攻击和接管基因以及细菌代谢机制的病毒）2，细胞能从其可接触到的表面拾取完整的环境核酸。

侵入者探测器中灭菌与自灭菌涂层的融入

为了确保系外行星生命探测实验的完整性并防止星际生物污染，从地球出发的探测器需要进行消毒，以杀灭污染生物体并摧毁可发现的陆地生物分子，如蛋白质、核酸、碳水化合物和脂类。为了在经历任何初始过程（如热、辐射、消毒气体，以及洁净室技术）后保持无菌，探测器几乎所有的表面都将涂覆含有无毒性生物分子添加剂（生物添加剂）的自灭菌涂层，以杀灭和（或）隔绝陆地生命。

例如，生物添加剂被认为会产生一种酶催化化学反应，这种酶能够对与之有特殊亲和力的生物分子产生损害性改变，如某种蛋白酶与多肽结合将其水解切割成更小的、非功能性分子。另一个例子是，生物脂封装活细胞和某些病毒，以及这些脂质结构是成为维持细胞活性功能不可或缺的一部分。一种被称为肽的非常小的分子，是氨基酸单体的低聚物，可能与这些生物脂质相互作用，在封装材料中形成可使细胞死亡的孔。一些生物分子添加剂可被选来包含在涂层中以隔绝微生物而不是立即将其杀死。一种常常能在微生物表面发现的、结合了特定类型生物分子的抗体，可被包含于涂层中将微生物或生物分子结合到涂层表面。

此外，利用某些特定肽（螯合参与生物代谢的某些酶所需的微量金属）可配制出涂层，通过抑制这些关键的酶从而产生杀菌或抑菌效果。

促进自灭菌协同效应的生物添加剂组合

以不同的作用方式结合涂层生物添加剂以杀灭陆地微生物，是生产适用于空间探索应用的自灭菌涂层的最有效途径。以前，涂层中使用的生物添加剂组合包括生物降解酶、溶菌酶，以及能在封装脂质中形成孔的肽，ProteCoat? 3。由于溶菌酶可催化对某些糖衍生物的裂解，因而被选中，上述糖衍生物在形成细菌细胞壁的生物聚合物中充当交联剂。细菌的细胞壁是其外表面的一部分，而对细胞壁完整性的破坏将导致维持生命功能所需的关键内部物质的丧失，并导致过量水等多余物质的进入。细菌表面脂质具有一种附着于疏水碳链的带负电荷的化学结构。数以百万计的这类脂质形成包裹细菌细胞内部成分的双层结构。ProteCoat肽是由其低聚物链上交替分布的带正电荷和不带电的氨基酸单体组成的。由此形成的分子具有一个带正电荷的面和一个与细菌表面脂质有关的疏水性的面。结合到细菌脂质双层上的多个ProteCoat分子将重组脂质，在封装双层结构中形成孔，导致内部材料产生不利的损失以及不良外部物质进入细胞。

在革兰氏阳性菌中，易受溶菌酶影响的细胞壁位于微生物表面，带有易受下部ProteCoat影响的脂质双层结构，而革兰氏阴性菌的形态则与之相反。由于其中一种生物添加剂会渗透过表层材料，并协助另一种生物添加剂攻击下一层材料，因而与这两种生物添加剂的结合能够改善细菌表面的降解。

针对革兰氏阳性微生物溶壁微球菌，对结合这两种生物添加剂所产生的影响及其协同作用进行了评估3。在细胞裂解试验中，将经过含一种或两种生物添加剂（浓度最高为2%的溶菌酶和/或0.5%的ProteCoat）的涂层处理的技术性纸质式试样（如，最大5x40 mm）与溶壁微球菌溶液接触。例如，一个100 mm2大小的试样，出现44%的裂解；而采用双生物添加剂涂层处理的纸质试样则出现93%的裂解。观察值与预期值之比为2.1（93/44±0），表明了细胞裂解活性的协同效应。

通过核酸酶涂层减少陆源污染

地球上每个生物体的基因模型都是根据核酸进行编码的，因而侵入式探测器所携带的科学设备组合中很可能会包含检测核酸的实验装置。由于外太阳系环境恶劣，地外微生物数量可能很少，因此很可能必须使用高灵敏度的核酸检测技术。例如，聚合酶链反应极其敏感，需使用一系列外星核酸，并经过数百万次生化繁殖，才能产生一个较易检测到的信号。但反过来说，这意味着一系列陆地核酸污染可能会产生假阳性信号。

另一个重要问题是，微生物无需在从地球到登陆新世界的全过程中存活并分裂和生长，就能造成地球生命对太阳系外行星的污染。永久性改变一个行星的内源微生物基因的一种可能方式，是一个源自地球的核酸编码基因在侵入式探测器表面存活，然后接触并融入系外行星微生物的基因组成。

我们已经表明，自灭菌涂层具有一个或多个被称为核酸酶的酶，可用于降解任何污染核酸并缓解这些问题。在地球上，生命使用两种核酸，一种是著名的脱氧核糖核酸（DNA），另一种是鲜为人知的核糖核酸（RNA），后者通常被病毒所利用。DNA和RNA通常是线性四聚合物，而被称为核酸外切酶的核酸酶会水解切割这类聚合物的末端（如，磷酸二酯酶Ⅰ），而核酸内切酶则会在内部位置切割聚合物链（如，DNase I和EcoRI）。核酸降解程度越高，这种核酸聚合体就越不可能成功地改变外星本地微生物的基因组。

为了测试这种生物添加剂形成无DNA表面的能力，采用磷酸二酯酶Ⅰ配制丙烯酸乳胶漆。磷酸二酯酶Ⅰ是一种核酸外切酶，取自东方菱形斑纹响尾蛇，能降解DNA和RNA聚合物链。免固化丙烯酸乳胶漆膜被置于液体中，用一种可被酶裂解的核酸酯（胸苷一磷酸对硝基苯酯）的进行测试，以证明其基层降解3。在另一项研究中，将Minwax涂料分别混合核酸内切酶DNase I——它会非特异性地将数千核苷酸单位长的DNA或RNA聚合物降解为单、二和三核苷酸低聚物；或核酸内切酶EcoRI——只在非常特定的序列中有效切割DNA，切割后只对DNA分子造成较小的尺寸变化。在20℃下，将一个已知大小的DNA分子在96孔板中进行35分钟的接触，分别采用无涂层控制、无任何生物添加剂Minwax、EcoRI核酸内切酶功能化的Minwax，或DNase I功能化的Minwax进行测试。每组反应物被放置在琼脂糖凝胶，而反应产物则利用电泳法按体积分离。

琼脂糖凝胶的各个道次上分别包含接触无涂层控制（1道次）、无任何生物添加剂Minwax（2-4道次）、EcoRI核酸内切酶功能化Minwax（5-7道次）或DNase I功能化Minwax（8-10道次）的DNA反应产物。11-12道次未添加样品。凝胶采用溴化乙锭染色，溴化乙锭是一种能结合到完整DNA分子上，并能使之在紫外线下发出粉橙色荧光的染料。在包含DNA与DNase I功能化Minwax接触反应产物的凝胶道上未发现可检测出的DNA，这表明涂层有效地降解了DNA（图1）。

图1：Minwax涂料混合核酸内切酶DNase 来降解DNA

因此，对这两种类型的陆地核酸（DNA和RNA）应用具有广泛特异性的核酸酶，是检测假阳性和跨星球基因污染的潜在的可行方法。同样，在担心某个存在风险的表面（如手术室设备）上存在具备抗菌素耐药性因子的DNA，而这样的DNA又可能会导致此种耐药性因子被转移到无耐药性微生物上的情况下，这种功能化核酸酶表面涂层就可能在降低这种威胁方面发挥作用。

我们星系中可能的生命源头及其位置

太阳系外行星微生物生命可能在生化方面类似陆地生命，至少它是我们知道如何进行检测与分析的某种微生物生命。因此，只关注类地微生物生命是合理的。对此的一种解释可能是，因为它已经表明，太阳系内微生物生命是有可能从一颗行星或卫星移植到太阳系内的另一颗行星上的4。最可能的移植机制，是因一颗小行星或彗星的撞击，而使耐寒微生物（如生活在岩石中的细菌）被喷射进太空。火星可能具备一个更有利于生命的环境，包括约在4.1到3.7亿年前覆盖了行星表面三分之一的海洋。因此，太阳系内地球与火星间的交叉污染可能导致这两颗行星上存在基因以及生物化学特性相似的生命。当然，生命可能已在不止一个行星体上独立出现（即第二个或独立的起源事件）。在这种情况下，系外行星微生物生命可能具有与地球生物明显不同的核酸和生物分子结构。另外，太阳系以外的微生物生命，如存在于太阳系外彗星或小行星上的细菌（如最近在太阳系发现的系外小行星Oumaumau5），可能在一个被称为胚种论的过程中将与进化相关的微生物沉积到其它行星或卫星。

在任何情况下，目前或者曾经存在液态水的行星体都是生命侦测探测器的目标。NASA关于在太阳系内寻找生命的清单还在继续加长，目前包括土星的卫星土卫二、土卫四和土卫五；木星的卫星木卫二、木卫三和木卫四；火星；小行星谷神星；当然还有地球（图2）。

图2：NASA关于在太阳系内寻找生命的清单

来自小行星或彗星的巨大撞击能从地球和火星等较小的行星上喷射出含有微生物生命的表面物质，它们可能会污染另一颗行星或卫星。绕气体巨星轨道运行的来自卫星的撞击喷出物极可能被气体巨星的引力捕获，以防扩散到另一颗行星上，尽管它有可能蔓延到邻近的另一颗卫星上。太阳系外的生命可能会沉积在太阳系的任何地方，之后又会因受到其它撞击而扩散。

行星生命侦测探测器设计

现在，机器人探测器工程师可以直接瞄准并自信地分析哪怕是最敏感的、可能承载生命的生态系统和生态位（含水层、冰原、地下洞穴、岩溶等），而在此之前，这些是根本无法触碰的。特别要注意的是，在探测器接触系外行星上因引力潮汐加热和（或）放射性同位素衰变而产生的含水层或次表层海洋（如在木卫二上发现的次表层海洋）之后，任何陆地微生物迅速传播到整个地球外生态系统的难易程度。（图3）。

图3：次表层海洋

近日，NASA邀请了材料科学家（包括反应性表面科学家）和相关学科的调查人员，共同讨论并帮助设计完成地球外微生物生命探测任务所需的方法和设备6。针对这样一个科学任务组合，我们团队提议的一种配置是镖状或矛状穿透式探测器，它在从轨道上的航天器中坠落后，将会以弹道方式贯入天体表面7。军用侵彻炸弹技术（“地堡克星”炸弹）可应用于生命侦测探测器，以达到所需的目标表面下深度。一般认为对于像火星这样的行星来说，生命可能会存在于表面之下，以躲避来自太空的灭菌辐射，如穿透火星稀薄大气层的紫外线。

此外，由于大气压力低，地表水分会迅速蒸发，因此维持微生物生命所必需的液态水很可能是存在于地表之下。通过在表面钻孔，探测器可以很容易地在较有利于微生物生态系统的地层中提取次表面泥土样品。

图4：硬化鼻部可使探测器和科学设备组合在撞击时达到次表层深度。

硬化鼻部可使探测器和科学设备组合在撞击时达到次表层深度（图4）。在探测器的一些设计配置中，与地表的撞击将使探测器开启，便于系外行星材料的收集。探测器主体部分中的生命探测科学设备将进行一项或多项实验，以评估样品中是否存在生命。探测器后部将保持在地表之上或靠近地表，以便通过无线电通信将生命探测结果传送到绕轨道运行的航天器（图中未显示）上。由于地表材料可能会干扰与撞击后被掩埋的探测器之间的无线通信，因而还可以通过通信线缆与生命探测设备连接。在所有情况下，侵入式探测器各个组件的所有表面都将涂覆自灭菌、自洁涂层，以消除由其所携带的微生物或其基因物质引起的前向污染。

最近，在火星的中纬度地区发现了100多米厚的冰原8。这些冰原之上覆盖着一至两米的表面材料，将成为主要探测目标，弹道式探测器将撞击并到达次表层深度，对冰层进行采样以寻找生命痕迹。

地球自灭菌涂层的其他用途

自灭菌涂层将在更多的地球和空间应用中进一步发挥作用。例如，在执行长期载人航天任务的密闭空间中使用传统化学膜内防腐剂，对宇航员的健康可能会产生有害影响。自灭菌涂层将大大缓解这些问题，它同样也可以应用于地球上人们居住和工作的类似封闭环境中（如建筑物、飞机、船舶和医院）。医院尤其能受益于自灭菌涂料。含核酸酶的涂料可能会在病原体有机会利用这类核酸之前在表面将其摧毁，从而削弱医院等环境中耐药菌株的发展。

涂料毫无疑问是人类（似乎也是其近亲尼安德特人9）最早的创新之一。从最早的绘画中，我们可以清楚地看到人类正在思考深奥的哲学问题，包括人类应如何适应宇宙的难题。如果现在能更明智地使用涂料，人类也许能够解决其中的一些难题，并在这一过程中，使其“洞穴”成为一个更加安全的安居之所。

参考文献

1. Benardini, J.N.III.; La Duc, M.T.; Beaudet, R.A.; Koukol, R. Implementing Planetary Protection Measures on the Mars Science Laboratory. Astrobiology. 2014, 14, 27-32.

2. Levy, S.B.; Marshall, B. Antibacterial resistance worldwide: causes, challenges and responses. Nature Medicine. 2004, 10, S122-S129.

3. C. S. McDaniel, Anti-fouling Paints and Coatings, U.S. Patent Application 14/097,128, July 9, 2015.

4. McKay, D.S.; Gibson Jr., E.K.; Thomas-Keprta, K.L.; Vali, H.; Romanek, C.S.; Clemett, S.J.; Chillier, X.D.F.; Maechling, C.R.; Zare, R.N. Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH84001”. Science. 1996, 273, 924–930.

5. Fitzsimmons, A.; Snodgrass, C.; Rozitis, B.; Yang, B.; Hyland, M.; Seccull, T.; Bannister, M.T.; Fraser, W.C.; Jedicke, R.; Lacerda, P. Spectroscopy and thermal modelling of the first interstellar object 1I/2017 U1 ‘Oumuamua. Nature Astronomy. 2018, 2, 133-137.

6. Seeking the Tricorder, Workshop on Advanced Technologies for Life Detection, NASA Ames, Moffett Blvd, Mountain View, CA, May 19 - 20, 2017.

7. C. S. McDaniel, Life Seeking Exoplanet Penetrator, U.S. Patent Application 14/979,980, unpublished work.

8. Dundas, C.M.; Bramson, A.M.; Ojha, L.; Wray, J.J.; Mellon, M.T.; Byrne, S.; McEwen, A.S.; Putzig, N.E.; Viola, D.; Sutton, S.; Clark, E.; Holt, J.W. Exposed subsurface ice sheets in the Martian mid-latitudes. Science. 2018, 349, 199-201.

9. Appenzeller, T. Old masters: The earliest known cave paintings fuel arguments about whether Neanderthals were the mental equals of modern humans. Nature, 2013, 497, 302–304.

联系方式：smcdaniel@reactivesurfaces.com, 512-472-8282