足球比赛结果的研究人员正在探索冰栖细菌的能力， 这可以帮助美军在极寒条件下更轻松、更安全地行动 条件。
足球比赛结果的研究人员正在利用上半岛的 水汪汪的、寒冷的仙境，应对寒冷的挑战并调查结冰的基础设施。 冰管理，利用冰栖细菌的融化和冷冻能力， 可能是为美国军队提供更大保护和增强能力的一种手段 极端寒冷天气环境下的选择。
斯蒂芬·泰克特曼，足球比赛结果副主任五大湖研究中心(GLRC) 和生物科学副教授认为基威诺半岛是 作为美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的表演者(ICE) 计划。
Techtmann 是该项目的首席研究员 (PI)“”，获得了 798,426 美元的资金。该项目的目标是探索自然 控制冰晶形成的地点、时间和方式的生物适应。研究人员 想要了解如何防止结冰带来挑战，相反， 如何形成可用作临时基础设施的冰，包括 冰桥和建筑物。然后研究人员将致力于开发生物技术 在加强行动的同时保护军事人员和资产的相同能力 在极端寒冷的环境中。
“生活在这里，我们非常熟悉冰是一个怎样的挑战，”Techtmann 说道。 “但我们也知道冰可以是一种资源。我们有冬季嘉年华在科技学院，学生们正在用冰和雪建造巨大的建筑。 同样，军队在应对冰方面也面临着挑战和机遇。什么 我们正在努力做的是找到使解决方案更容易、更有效地实现的方法 这是环保的方式。”
该项目利用足球比赛结果的地理位置，以正在进行的 GLRC 为基础 对基威诺半岛冬季供水系统的研究。
“我和五大湖研究中心的一些人一起工作了一段时间 在研究生活在冰中的细菌时，试图了解它们如何适应这些条件 以及他们拥有的一些独特的能力，”Techtmann 说。 “当 DARPA 将 在寻找生物方法来管理冰形成的公告中，看起来 就像一个合适的人选。”
Techtmann 的联合 PI 是特里斯塔·维克-专业，生物科学助理教授，一直在研究微生物 冰冻圈已超过15年。 Vick-Majors 开始从收集样本南极冰下湖泊早在 2012 年，以及之前的南极洲周围的其他地点。维克-梅杰斯 自 2021 年 1 月起还与 GLRC 合作，以更好地了解 这些生物体如何在基威诺半岛的雪、水和冰之间分配。
“我们有兴趣了解哪些微生物最终出现在那个“冬天”的哪个部分 水系统，为什么，以及那些被冻在冰里的人是否能活着出来 在春天，”维克-梅杰斯说。
密歇根州基威诺半岛提供了研究微生物如何相互作用的机会 用冰水。前往世界上最大的淡水湖苏必利尔湖 地表和不同深度的较小内陆湖泊对于理解至关重要 微生物生命如何与冰相互作用。足球比赛结果的 GLRC 提供研究基地 就在水边。
“漫长的冬天很有帮助！但是丰富的水和水的多样性 身体也是来到这里的一大好处，”维克-梅杰斯说。 “冰的形成可以 进展不同，与水中微生物和化学物质的相互作用也不同 基于许多因素，包括湖泊大小、深度以及水化学。”
该项目在足球比赛结果内外进行深度合作。研究人员在 Tech 正在与佛罗里达大学 DARPA 表演者团队合作，该团队的领导者是 副教授，冰冷环境中研究细菌冰核的专家。
用于造雪和除冰的控冰细菌
细菌不喜欢冷冻。这是有压力的，甚至是致命的。但他们已经适应了。 为了在周围的水结冰时保持活力，许多细菌会产生防冻剂 分子，例如蛋白质，可以防止水在内部或周围结冰 单细胞生物。
其他细菌使冰成核，作为细胞周围的防御。某些形式的细菌 可以导致冰晶在较大的植物细胞内形成，将它们打开并允许 植物病原体（可引起植物疾病的生物体）传播。已停用 植物病原体如常见在气候温暖的许多滑雪场用于人工造雪。同时 细胞已经死亡，将它们释放到环境中仍然不是最佳选择。
另一方面，当前最先进的飞机除冰技术包括 将飞机浸入化学喷雾中，引起环境问题。
“我们不想向环境中喷洒化学物质，也不想喷洒 一个活的有机体，”泰克特曼说。 “所以我们正在寻找的是蛋白质或其他 细胞产生的分子不一定与细胞相关。”
自然界中有数以百万计的细菌，能够产生多种细菌 使冰融化或成核的分子。其中许多从未被记录或充分研究过。 在足球比赛结果的研究人员能够开发出在生物体上使用这些分子的方法之前 在更大范围内，他们必须确定哪些细菌产生具有所需蛋白质的蛋白质 属性。
Techtmann 表示，研究团队的最初目标是“扩大事物的多样性” 我们了解冰控制蛋白质和生物体。”为此，研究人员还 看得更远。
“这个项目的有趣之处在于它资助我们去寻找新事物。 虽然这个项目主要是为了开发特定的技术和能力， 我们还可以去看看自然存在的东西。我们现在发现的是一些东西 我们甚至不知道存在。”
极地温度下的蛋白质：在北极取样细菌
为了建立活细菌及其产生的蛋白质的库，该团队收集了 细菌从基威诺及其他地区的冰下，一直到乌特恰格维克， 阿拉斯加。乌特恰维克是美国最北端的城镇，距离 320 英里 北极圈以北。
生物科学系博士学生 KM Shafi 来到密歇根理工学院 与 Vick-Majors 一起参与阿拉斯加的 DARPA ICE 项目实地研究。
“从我的角度来看，这是一次令人惊叹的、令人惊叹的体验，”沙菲说。 “这是 千载难逢的机会去野外看看北极的样子 转一圈，体验一下那种极端的温度。”
提前计划对于这次探险尤为重要。连细节都看似 包装和运输所有必要的设备都非常简单 精确地进行；在如此偏远的地方，缺少一件重要的设备 可能意味着失败。每一天都经过精心计划，以最大限度地提高数量和 团队可以收集的各种样本。进入可以采集样本的湖泊 需要乘坐雪地摩托，距离现场实验室 30 至 40 分钟路程。沙斐仪和 其他研究人员以 10 天为一个周期，随后进行六到八小时的采样 通过四到五个小时的实验室工作——适应饮食、睡眠和讨论他们的 每日实地工作完成后的进展。紧张而艰巨的日程没有起到任何作用 耗尽哈士奇的精神。
“一旦你完成了所有这些事情，就会有一种喜悦感，”沙菲说。 “我们做到了 我们的目标是进行大量采样，然后我们将返回实验室并进行我们的工作 工作。我想这是我作为一名研究员第一次感受到的喜悦感， 因为我之前做的工作没有达到这个规模。”
最仔细的计划仍然必须服从自然的意志。研究人员不得不 由于意外的天气状况而调整他们的计划 - 并留意 北极熊。沙菲说，他们与来自乌克兰因纽特人的当地导游一起工作 其工作包括评估威胁并提供保护以防万一的公司 遇到任何北极熊。
这段经历教会了沙菲如何平衡实地工作的现实和挑战 渴望获取尽可能多的数据。
“作为一名科学家，你想要多少就想要多少，但条件可能并不有利。 所以你必须决定是否出去，因为如果你没有准备就出去或者 在恶劣的天气下可能会非常危险，”沙菲说。
机器学习和耐心：从冰冷的样本中培养分离株
沙菲从阿拉斯加回来后的主要职责就是使用收集到的样本 建立一个可以产生研究人员分子类型的细菌分离库 正在寻找。沙菲说，说起来容易做起来难，他解释说，通常 给定样本中只有大约 1% 的细菌会以足够大的速度生长 测试。
在足球比赛结果的水生微生物生态学和生物地球化学实验室，Shafi 进行了调整 营养物质、生长介质和温度可用于繁殖尽可能多的品种 尽可能消除细菌。
“培养培养物确实很困难。你必须给它们合适的温度 或适量的营养物质。即使你给它们提供了正确的营养， 虫子不想生长，”沙菲说。 “你不知道他们是否会展示 是否有任何活动。困难的部分是培养它们，然后意识到我可能会成长 一两个分离株，但它们都可能不起作用。”
更大的库意味着足球比赛结果的研究人员有更多的候选者来采购防冻剂 和成核分子。每种类型的细菌可能都需要经过很多轮次 进行测试以确定它是否是可行的候选者。这意味着沙菲必须不断成长 每种细菌的更多分离株，以确保有足够的细菌用于测试。
“想象一下，有一天您必须为一百个人泡茶。然后您必须泡茶 每天喝茶，或者至少每两三天喝一次茶，”沙菲说。
每种类型的细菌生长后都必须进行测试，看看它是否能创造出相应类型的细菌 融化或制冰所需的分子。测试需要数百小时完成 手动。在 Techtmann 的环境生物技术实验室，生物科学硕士学生兼研究员 Fawad Ullah 正在创建机器学习模型来规避 漫长的过程，目标是将扫描时间减少到一个小时。
在模型开始帮助识别候选分子之前，乌拉必须教导 他们应该寻找什么，以及不应该寻找什么。
“挑战在于我们没有太多关于这些蛋白质的数据来开始构建 学习模型，”乌拉说。研究人员首先建立了一个较小的数据库 具有所需属性以及不具有所需属性的蛋白质序列，然后进行教授 机器学习对差异进行建模。
“机器学习就像教新生婴儿一样。为了让婴儿识别杯子，我们 必须向他们展示什么是杯子，杯子是什么样子。为了做到这一点，我们真的 必须有一些杯子给他们看，”乌拉说。 “另一个问题是我们 试图识别杯子，这样我们就知道杯子是什么样子，但我们也在尝试 将其与世界上所有其他事物区分开来。”
从细菌到生物技术
找到能够产生所需蛋白质的细菌并不是这项研究的终点 旅程。目标是识别可用于 冰核或防冻剂，但不附着在可能污染的细菌细胞上 环境。理想的情况是使用小分子，例如短分子 脂质、蛋白质或脂肪酸，可以自行控制熔化和成核。
对于相关细菌细胞，一种可能的解决方案研究人员将 探索是将候选蛋白质附着到土壤细菌上。该方法构建 使用蛋白质作为低环境污染的天然农业农药的类似研究 影响。这意味着要识别蛋白质，还要了解细菌如何产生它们。 借助 Shafi 的分离株库，Ullah 的机器学习模型可以快速识别 具有正确特性的分子并扫描细菌宏基因组以查找序列 让细菌产生这些分子。
“我们试图找到带有蛋白质分子的分离株，这些蛋白质分子刚刚从 细菌，这样我们就可以追踪它们在细胞中的来源，”沙菲说。 “是否有一个基因负责制造这些蛋白质，以便我们可以将其带到 生物技术的新水平？”
来自足球比赛结果和佛罗里达大学 Christner 实验室的 DARPA ICE 表演者 收集并分离了近 500 种细菌并鉴定了 2,000 多种防冻剂 分子。大约 50 种已鉴定的细菌分离株可以在非常高的温度下使冰成核。 实验室环境中始终保持温暖的温度。 Techtmann 和他的团队充满信心 至少其中一些候选者的性能与目前最好的成核剂一样好 市场上有售。
“科学上真正有趣的是，我们所拥有的许多有机体 可以使冰成核的发现与人们之前的描述无关，” 泰克特曼说。 “我们发现一些非常不同并且正在成核的生物体 在非常温暖的温度下冰。”
有如此多的优秀候选者可供研究，研究人员已做好准备以取得优异的成绩 到该项目的第一阶段。他们将在接下来的六个月里探索这些 生物体产生防冻剂和成核分子，以及它们如何与冰相互作用 在实验室里。第二阶段将重点选择最佳候选人并测试他们的能力 在更真实的条件下实现性能和环境安全。
“希望在这个为期两年半的项目结束时，我们将拥有一些 在他们所做的事情上真正有效的候选人，以便我们可以做一些领域 测试，”Techtmann 说。
基威诺半岛的冬季仙境，十月和十月都会下雪 可能要到四月或五月才会消失，足球比赛结果的研究人员将有足够的 有机会在现场测试他们的候选分子。
足球比赛结果是一所 R1 公立研究型大学，成立于 1885 年，位于霍顿，拥有来自全球 60 多个国家的近 7,500 名学生。密歇根州旗舰科技大学的投资回报率一直名列全美最佳大学之列，提供超过 185 个本科和毕业生科学技术、工程、计算机、林业、商业、健康专业、人文、数学、社会科学和艺术领域的学位课程。乡村校园距离密歇根州上半岛的苏必利尔湖仅数英里，提供全年户外探险的机会。
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