Dowiedz się o biologii syntetycznej, nauce zdolnej do syntetyzowania organizmów do produkcji tego, czego chcemy, oraz o tym, jak może ona odnosić się do środowiska

Bill Oxford na zdjęciu Unsplash

Pająki i owady wytwarzające ubrania, które nosisz? Brzmi to dziwnie, ale firmy już to robią. Naukowcy zbadali DNA pająków i przeanalizowali, w jaki sposób wytwarzają włókna jedwabiu. W ten sposób udało im się odtworzyć w laboratorium włókno wykonane z wody, cukru, soli i drożdży, które pod mikroskopem ma takie same właściwości chemiczne jak naturalne. Istnieje również „krowie mleko”, które nie pochodziło od krowy, a nawet włókno silniejsze niż stal wyprodukowana z lepkiej substancji ryby. Wszystko to są przykładami zastosowania biologii syntetycznej.

Biologia syntetyczna

Pod koniec XX wieku rozpoczęła się rewolucja biotechnologiczna, w której pojawiły się nowe aspekty biologii. Biologia syntetyczna to dziedzina, która zyskała na znaczeniu od czasu jej oficjalnego pojawienia się w 2003 roku i ma swoje główne możliwości zastosowania w przemyśle, ochronie środowiska i zdrowiu ludzi.

Definicja biologii syntetycznej wynika z integracji różnych dziedzin badań (chemii, biologii, inżynierii, fizyki lub informatyki) z budową nowych komponentów biologicznych, obejmującą również przeprojektowanie istniejących już naturalnych systemów biologicznych. Stosowanie technologii rekombinacji DNA (sekwencji DNA z różnych źródeł) nie jest wyzwaniem dla biologii syntetycznej, ponieważ to już się dzieje; chodzi o zaprojektowanie organizmów, które odpowiadają aktualnym potrzebom ludzkości.

Sprzymierzeńcem biologii syntetycznej jest biomimikra, która szuka rozwiązań dla naszych potrzeb inspirowanych naturą. Dzięki biologii syntetycznej możliwe będzie odtworzenie całych systemów, a nie tylko ich części.

W 2010 roku rozgłos zyskała biologia syntetyczna. W tym samym roku amerykańskiemu naukowcowi John Craig Venter udało się dokonać czegoś genialnego: stworzył pierwszy w historii organizm ze sztucznym życiem w laboratorium. Sam nie stworzył nowej formy życia, ale „odcisnął” DNA utworzone z danych cyfrowych i wprowadził je do żywej bakterii, przekształcając ją w syntetyczną wersję bakterii Mycoplasma mycoides . Venter twierdzi, że był to „pierwszy żywy organizm, którego ojcem jest komputer”.

Obecnie w Internecie dostępna jest baza danych, zawierająca tysiące „receptur” DNA do wydrukowania, zwanych biologicznymi cegłami . Bakterie z syntetycznym genomem działają dokładnie w taki sam sposób, jak ich naturalna wersja i w ten sposób jesteśmy w stanie przeprogramować bakterie i sprawić, by zachowywały się tak, jak chcemy, aby produkować określone materiały, takie jak jedwab i mleko.

Firmą odpowiedzialną za produkcję włókien jedwabnych z obserwacji pająków wspomnianych na początku tego tekstu jest Bolt Threads. Sztuczne „mleko krowie” to Muufri, stworzone przez dwóch wegańskich bioinżynierów. Jest produkowany na takich samych zasadach jak piwo i jest mieszanką składników (enzymów, białek, tłuszczów, węglowodanów, witamin, minerałów i wody). To „syntetyczne mleko” ma takie same właściwości smakowe i odżywcze jak oryginał. Z kolei hiperodporny filament to dzieło laboratorium Benthic Labs, które produkuje różne materiały, takie jak liny, opakowania, odzież i produkty zdrowotne, za pośrednictwem tego filamentu z śluzicy.(gatunek ryb znany również jako myxini). Kod DNA ryby zostaje wprowadzony do kolonii bakterii, która zaczyna syntetyzować włókno. Jest dziesięciokrotnie cieńszy od włosa, mocniejszy niż nylon, stal i ma właściwości chłonne i przeciwbakteryjne.

Jeśli uda nam się odtworzyć takie „naturalne” zasoby, w miarę postępu badań, biologia syntetyczna może zastąpić użycie niektórych surowców. Tym samym tę technologię można wprowadzić jako czynnik o dużym znaczeniu dla koncepcji gospodarki o obiegu zamkniętym, jak to ma miejsce w przypadku technologii pochłaniających wycieki ropy czy bakterii zjadających plastik.

Włączenie biologii syntetycznej do gospodarki o obiegu zamkniętym

Zdjęcie Rodiona Kutsaeva w Unsplash

Gospodarka o obiegu zamkniętym to model strukturalny reprezentujący zamknięty cykl, w którym nie ma strat ani odpadów. Trzy zasady gospodarki o obiegu zamkniętym, według Fundacji Ellen Macarthur, to:

Zachowaj i zwiększaj kapitał naturalny, kontrolując ograniczone zapasy i równoważąc przepływ zasobów odnawialnych;
Optymalizacja produkcji surowców, produktów obiegowych, komponentów i materiałów o najwyższym poziomie użyteczności przez cały czas, zarówno w cyklu technicznym, jak i biologicznym;
Promuj efektywność systemu, ujawniając negatywne efekty zewnętrzne i wykluczając je w projektach.

Obecnie żyjemy w liniowym systemie produkcyjnym. Wydobywamy, produkujemy, konsumujemy i utylizujemy. Ale zasoby naturalne są ograniczone i musimy je chronić - to pierwsza zasada gospodarki o obiegu zamkniętym.

Dzięki biologii syntetycznej w przyszłości będziemy w stanie zastąpić wydobywanie niektórych zasobów naturalnych. Ponadto do ochrony środowiska, będziemy oszczędzając ogromną ilość energii i zbliża się do modelu od kołyski do kołyski ( craddle do kolebką - system, w którym nie ma pomysł odpadów).

Wymiana materiałów

Zdolność do kontrolowania bakterii i sprawienia, by pracowały dla nas, może stworzyć różne alternatywy dla nakładów lub procesów. Na przykład: stworzenie nowych biodegradowalnych materiałów, które można z powrotem zintegrować z cyklem, a teraz służą jako składniki odżywcze dla innych istot, takie jak nawozy na plantacje.

Istnieje już kilka rodzajów polimerów tworzonych przez biologię syntetyczną, np. Tworzywa sztuczne powstałe w wyniku fermentacji cukru i naturalnie rozkładane wraz z mikroorganizmami występującymi w glebie. Do produkcji bioplastików można również wykorzystać inne materiały, takie jak między innymi kukurydza, ziemniaki, trzcina cukrowa, drewno. Istnieją również opakowania wykonane z grzybni (zdjęcie poniżej) grzybów, które można uformować i zastąpić styropian.

Zdjęcie: Biodegradowalne opakowanie wykonane przez Ecovative Design, przy użyciu biomateriału grzybni z odpadów rolniczych firmy Mycobond jest objęte licencją (CC BY-SA 2.0)

Inne zastosowania, które są obecnie oceniane przez świat, wciąż są opracowywane ... Obecnie kauczuk syntetyczny jest w całości pozyskiwany ze źródeł petrochemicznych, więc naukowcy próbują stworzyć opony wykonane z BioIsoprenu . Enzymy roślinne są wprowadzane do mikroorganizmu poprzez przenoszenie genów, tworząc w ten sposób izopren. W Brazylii badana jest metoda przekształcania metanu w biodegradowalne tworzywo sztuczne za pomocą mikroorganizmów w kontrolowanych warunkach. Produkty chemiczne, akryl, rozwój szczepionek, przetwarzanie odpadów rolniczych, antybiotyki to między innymi przykłady produktów biologii syntetycznej, które można ponownie wprowadzić do przepływu, tworząc system cykliczny.

Aby uwzględnić drugą zasadę gospodarki o obiegu zamkniętym, biologia syntetyczna może tworzyć materiały, które są bardziej odporne i trwają przez długi czas, bez konieczności ciągłych napraw, wymiany części, a nawet częstego kupowania nowych produktów. Tworzone są materiały, które można łatwo ponownie wykorzystać w innych procesach, do tworzenia nowych produktów lub które są łatwiejsze do recyklingu. Gdyby cały ten hipotetyczny materiał miał takie warunki, nie stałby się odpadem, przy spadku zanieczyszczenia i składowaniu na wysypiskach, to znaczy nadal byłby wprowadzany do użytku.

Druga strona historii

Technologia ta jest wciąż bardzo nowa, a wraz z odkryciem coraz większej liczby zastosowań i materiałów, które można zastąpić syntetykami, zmniejsza się wydobycie zasobów ze środowiska, umożliwiając ich naturalną regenerację. Przywracając odporność środowiska, przywracamy równowagę i będziemy mogli żyć na bardziej zrównoważonej planecie.

Ale jak wszystko, co dobre, są pewne przeciwności. Ta gałąź naukowa, która jest również uważana za ekstremalną inżynierię genetyczną, potrzebuje oficjalnych porad. Produkty muszą mieć szczegółowe regulacje i zalecenia, aby uniknąć jakiejkolwiek możliwości błędu, tak aby ryzyko i korzyści stały się oczywiste przed komercjalizacją. Ponieważ początkowe eksperymenty w biologii syntetycznej były bardzo obiecujące pod względem ekonomicznym, nadal nie ma wielu ograniczeń, co może stanowić problem.

Jednym z negatywnych skutków, jakie mogą wystąpić, jest utrata bioróżnorodności w wyniku tworzenia sztucznych mikroorganizmów, które mogą działać w środowisku w nieprzewidywalny sposób. Na przykład: jeśli celowo lub nie, syntetyczny mikroorganizm zostanie uwolniony, czasami z natury bezprecedensowy, może zachowywać się jak najeźdźca i rozmnażać się, deregulując całe ekosystemy, i niemożliwe jest „polowanie” i usunięcie wszystkich bakterii ze środowiska.

W kwestii społecznej kraje biedne mogą cierpieć znacznie bardziej niż kraje rozwinięte. Wykorzystanie mikroorganizmów do masowej produkcji określonego produktu może zastąpić całe naturalne plantacje, pozostawiając bez pracy miliony rodzin. Jednak do odżywiania bakterii będą potrzebne monokultury, ponieważ ich źródłem energii jest biomasa.

Na dużą skalę niektóre produkty będą wymagały dużej ilości materii organicznej, takiej jak cukier. Prawdopodobnie bezrobotne rodziny zaczną sadzić tylko trzcinę cukrową (biopaliwa już przyniosły duże zmiany w użytkowaniu gruntów), co może wpłynąć m.in. na dostęp do ziemi, wody i zwiększone zużycie pestycydów.

Wszystkie te kwestie są bezpośrednio związane z bioetyką. Siła biologii syntetycznej jest ogromna. Projektowanie organizmów tak, jak chcemy, czyni je nieprzewidywalnymi, więc naukowcy i społeczeństwo muszą używać tej mocy w sposób odpowiedzialny i bezpieczny, wspierany przez rządy. To zawsze jest skomplikowana sprawa.

Wszystkie te pozytywne lub negatywne czynniki mogą pomóc lub przeszkodzić gospodarce o obiegu zamkniętym i naszej planecie. Ale jest jeszcze wiele do omówienia i wiele wiedzy do podniesienia na ten temat. Nie można zaprzeczyć, że biologia syntetyczna to trend na przyszłość, ale najważniejsze jest określenie, w jaki sposób ta zaawansowana technologia zostanie zastosowana.

Obejrzyj krytyczny film o konsekwencjach biologii syntetycznej.