La colonización de Marte plantea numerosos desafíos tecnológicos, biológicos y ambientales, siendo uno de los más relevantes la producción sostenible de alimentos en un entorno hostil. El regolito marciano, que constituye el sustrato superficial del planeta, presenta múltiples limitaciones como la ausencia de materia orgánica, elevada salinidad, pH alcalino, deficiente retención hídrica y la presencia de compuestos tóxicos como los percloratos. La biorremediación mediante microorganismos especializados es una estrategia prometedora para transformar el regolito en un suelo fértil capaz de sostener el crecimiento vegetal.
Este Trabajo de Fin de Grado se enmarca en un proyecto más amplio en el campo del diseño de ecosistemas microbianos sintéticos para la fertilización de suelos marcianos. En concreto, se ha desarrollado un sistema hipercíclico compartimentalizado compuesto por ocho especies microbianas, organizado en cuatro compartimentos funcionales. Cada compartimento ha sido diseñado para cumplir una tarea específica en el acondicionamiento del regolito: (1) detoxificación de percloratos, (2) producción de nutrientes básicos, (3) enriquecimiento orgánico y (4) refinamiento final del suelo. El diseño se ha fundamentado en un análisis bibliográfico exhaustivo de las capacidades fisiológicas y metabólicas de las especies seleccionadas.
Además del diseño conceptual, el trabajo incluye dos líneas metodológicas complementarias. Por un lado, se ha iniciado el proceso de curación de modelos metabólicos a escala genómica (GEMs) para seis de las especies propuestas (para las que no existían modelos previamente publicados). Este proceso ha incluido la anotación cruzada con bases de datos especializadas, el balance de masa y carga, la corrección de ecuaciones de biomasa y un primer análisis termodinámico.
Por otro lado, se ha llevado a cabo un modelado dinámico completo del compartimento 3, empleando tanto simulaciones de Análisis de Balance de Flujos Dinámico (dFBA) como una aproximación continua basada en ecuaciones diferenciales ordinarias (EDOs). Este modelo permite representar la cooperación metabólica entre Chlorella vulgaris y Bacillus subtilis, especies clave para la producción de oxígeno y compuestos orgánicos enriquecedores del regolito. A partir de este sistema se han realizado análisis de estabilidad, sensibilidad a condiciones iniciales, evaluación de puntos de equilibrio y simulaciones con tasas variables de extracción de gases.
Este trabajo constituye una primera aproximación al diseño computacional de sistemas microbianos cooperativos para la agricultura espacial, sentando las bases para futuras fases del proyecto como la modelización completa del hiperciclo y su validación experimental.
ABSTRACT
The colonization of Mars presents numerous technological, biological, and environmental challenges, one of the most pressing being the sustainable production of food in a hostile environment. Martian regolith, which constitutes the planet’s surface substrate, exhibits several limitations such as the absence of organic matter, high salinity, alkaline pH, poor water retention capacity, and the presence of toxic compounds like perchlorates. Bioremediation through specialized microorganisms is a promising strategy to transform regolith into fertile soil capable of supporting plant growth.
This Bachelor’s Thesis is part of a broader project in the field of synthetic microbial ecosystem design for the fertilization of Martian soils. Specifically, a compartmentalized hypercyclic system composed of eight microbial species has been developed, organized into four functional compartments. Each compartment was designed to perform a specific task in the conditioning of regolith: (1) perchlorate detoxification, (2) production of basic nutrients, (3) organic enrichment, and (4) final soil refinement. The design was based on an extensive literature review of the physiological and metabolic capacities of the selected species.
In addition to the conceptual design, the work includes two complementary methodological approaches. On the one hand, the curation process of genome-scale metabolic models (GEMs) was initiated for six of the proposed species (for which no previously published models existed). This process included cross-annotation with specialized databases, mass and charge balancing, correction of biomass equations, and an initial thermodynamic analysis.
On the other hand, a full dynamic modeling of Compartment 3 was carried out, using both Dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) simulations and a continuous approximation based on Ordinary Differential Equations (ODEs). This model enables the representation of metabolic cooperation between Chlorella vulgaris and Bacillus subtilis, key species for oxygen production and organic enrichment of regolith. The system was used to perform stability analysis, sensitivity to initial conditions, equilibrium point evaluation, and simulations with variable gas extraction rates.
This work represents a first approach to the computational design of cooperative microbial systems for space agriculture, laying the groundwork for future stages of the project, such as full-scale modeling of the hypercycle and its experimental validation.
La colonización de Marte plantea numerosos desafíos tecnológicos, biológicos y ambientales, siendo uno de los más relevantes la producción sostenible de alimentos en un entorno hostil. El regolito marciano, que constituye el sustrato superficial del planeta, presenta múltiples limitaciones como la ausencia de materia orgánica, elevada salinidad, pH alcalino, deficiente retención hídrica y la presencia de compuestos tóxicos como los percloratos. La biorremediación mediante microorganismos especializados es una estrategia prometedora para transformar el regolito en un suelo fértil capaz de sostener el crecimiento vegetal.
Este Trabajo de Fin de Grado se enmarca en un proyecto más amplio en el campo del diseño de ecosistemas microbianos sintéticos para la fertilización de suelos marcianos. En concreto, se ha desarrollado un sistema hipercíclico compartimentalizado compuesto por ocho especies microbianas, organizado en cuatro compartimentos funcionales. Cada compartimento ha sido diseñado para cumplir una tarea específica en el acondicionamiento del regolito: (1) detoxificación de percloratos, (2) producción de nutrientes básicos, (3) enriquecimiento orgánico y (4) refinamiento final del suelo. El diseño se ha fundamentado en un análisis bibliográfico exhaustivo de las capacidades fisiológicas y metabólicas de las especies seleccionadas.
Además del diseño conceptual, el trabajo incluye dos líneas metodológicas complementarias. Por un lado, se ha iniciado el proceso de curación de modelos metabólicos a escala genómica (GEMs) para seis de las especies propuestas (para las que no existían modelos previamente publicados). Este proceso ha incluido la anotación cruzada con bases de datos especializadas, el balance de masa y carga, la corrección de ecuaciones de biomasa y un primer análisis termodinámico.
Por otro lado, se ha llevado a cabo un modelado dinámico completo del compartimento 3, empleando tanto simulaciones de Análisis de Balance de Flujos Dinámico (dFBA) como una aproximación continua basada en ecuaciones diferenciales ordinarias (EDOs). Este modelo permite representar la cooperación metabólica entre Chlorella vulgaris y Bacillus subtilis, especies clave para la producción de oxígeno y compuestos orgánicos enriquecedores del regolito. A partir de este sistema se han realizado análisis de estabilidad, sensibilidad a condiciones iniciales, evaluación de puntos de equilibrio y simulaciones con tasas variables de extracción de gases.
Este trabajo constituye una primera aproximación al diseño computacional de sistemas microbianos cooperativos para la agricultura espacial, sentando las bases para futuras fases del proyecto como la modelización completa del hiperciclo y su validación experimental.
ABSTRACT
The colonization of Mars presents numerous technological, biological, and environmental challenges, one of the most pressing being the sustainable production of food in a hostile environment. Martian regolith, which constitutes the planet’s surface substrate, exhibits several limitations such as the absence of organic matter, high salinity, alkaline pH, poor water retention capacity, and the presence of toxic compounds like perchlorates. Bioremediation through specialized microorganisms is a promising strategy to transform regolith into fertile soil capable of supporting plant growth.
This Bachelor’s Thesis is part of a broader project in the field of synthetic microbial ecosystem design for the fertilization of Martian soils. Specifically, a compartmentalized hypercyclic system composed of eight microbial species has been developed, organized into four functional compartments. Each compartment was designed to perform a specific task in the conditioning of regolith: (1) perchlorate detoxification, (2) production of basic nutrients, (3) organic enrichment, and (4) final soil refinement. The design was based on an extensive literature review of the physiological and metabolic capacities of the selected species.
In addition to the conceptual design, the work includes two complementary methodological approaches. On the one hand, the curation process of genome-scale metabolic models (GEMs) was initiated for six of the proposed species (for which no previously published models existed). This process included cross-annotation with specialized databases, mass and charge balancing, correction of biomass equations, and an initial thermodynamic analysis.
On the other hand, a full dynamic modeling of Compartment 3 was carried out, using both Dynamic Flux Balance Analysis (dFBA) simulations and a continuous approximation based on Ordinary Differential Equations (ODEs). This model enables the representation of metabolic cooperation between Chlorella vulgaris and Bacillus subtilis, key species for oxygen production and organic enrichment of regolith. The system was used to perform stability analysis, sensitivity to initial conditions, equilibrium point evaluation, and simulations with variable gas extraction rates.
This work represents a first approach to the computational design of cooperative microbial systems for space agriculture, laying the groundwork for future stages of the project, such as full-scale modeling of the hypercycle and its experimental validation. Read More
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