Spoznajte sintetično biologijo, znanost, ki lahko sintetizira organizme, da proizvedejo tisto, kar si želimo, in kako je lahko povezana z okoljem

Bill Oxford v podobi Unsplash

Pajki in žuželke, ki proizvajajo oblačila, ki jih nosite? Sliši se nenavadno, vendar že obstajajo podjetja, ki to počnejo. Raziskovalci so preučevali DNK pajkov in analizirali, kako proizvajajo svilena vlakna. Tako jim je v laboratoriju uspelo razmnožiti vlakno iz vode, sladkorja, soli in kvasa, ki ima pod mikroskopom enake kemijske lastnosti kot naravno. Prav tako že obstaja "kravje mleko", ki ni prišlo od krave, in celo filament, močnejši od jekla, proizvedenega iz ribje viskozne snovi. Vse to so primeri uporabe sintetične biologije.

Sintetična biologija

Konec 20. stoletja se je začela biotehnološka revolucija, v kateri so se pojavili novi vidiki biologije. Sintetična biologija je področje, ki je postalo pomembno, odkar se je uradno pojavila leta 2003, in ima glavne možnosti za uporabo v industriji, okolju in zdravju ljudi.

Opredelitev sintetične biologije je podana s povezovanjem različnih področij raziskav (kemija, biologija, inženirstvo, fizika ali računalništvo) z gradnjo novih bioloških komponent, ki vključujejo tudi preoblikovanje naravnih bioloških sistemov, ki že obstajajo. Uporaba tehnologije rekombinantne DNA (zaporedje DNA iz različnih virov) za sintetično biologijo ni izziv, saj se to že dogaja; stava je na oblikovanju organizmov, ki ustrezajo trenutnim potrebam človeštva.

Zaveznik sintetične biologije je biomimikrija, ki išče rešitve za naše potrebe, ki jih navdihuje narava. S sintetično biologijo bo mogoče poustvariti celotne sisteme, ne le del.

Od leta 2010 je sintetična biologija postala znana. Istega leta je ameriškemu znanstveniku Johnu Craigu Venterju uspelo nekaj genialnega: v zgodovini je v laboratoriju ustvaril prvi organizem z umetnim življenjem. Nove oblike življenja ni ustvaril sam, temveč je DNK, ki je nastal iz digitalnih podatkov, "vtisnil" in jo vnesel v živo bakterijo ter jo preoblikoval v sintetično različico bakterije Mycoplasma mycoides . Venter trdi, da je bil to "prvi živi organizem, katerega oče je računalnik".

Danes je na internetu na voljo baza podatkov, na kateri je natisnjenih na tisoče "receptov" DNA, imenovanih biobrick . Bakterije s sintetičnim genomom delujejo popolnoma enako kot njihova naravna različica in tako lahko reprogramiramo bakterije in jih prisilimo, da delujejo tako, kot želimo, da proizvajajo določene materiale, kot sta svila in mleko.

Podjetje, odgovorno za proizvodnjo svilenih vlaken pri opazovanju pajkov, omenjeno na začetku tega besedila, je Bolt Threads. Umetno "kravje mleko" je Muufri, ki sta ga ustvarila dva veganska bioinženirja. Proizvaja se po enakih principih kot pivo in je mešanica sestavin (encimi, beljakovine, maščobe, ogljikovi hidrati, vitamini, minerali in voda). To "sintetično mleko" ima enake okusne in hranilne lastnosti kot prvotno. Po drugi strani pa je hiperodporna nitka delo laboratorija Benthic Labs, ki skozi to nit iz hagfish-a proizvaja različne materiale, kot so vrvi, embalaža, oblačila in izdelki za zdravje.(vrste rib, znane tudi kot myxini). Koda DNA rib se vnese v kolonijo bakterij, ki začne sintetizirati filament. Desetkrat je tanjši od las, močnejši od najlona, jekla in ima vpojne in protimikrobne lastnosti.

Če smo sposobni poustvariti takšne »naravne« vire, ki jih napredujejo študije, lahko sintetična biologija nadomesti uporabo nekaterih surovin. Tako lahko to tehnologijo uvedemo kot dejavnik velikega pomena za koncept krožnega gospodarstva, kot to velja za tehnologije, ki absorbirajo razlitje nafte ali bakterije, ki jedo plastiko.

Vključitev sintetične biologije v krožno gospodarstvo

Slika Rodiona Kutsaeva v Unsplash

Krožno gospodarstvo je strukturni model, ki predstavlja zaključen krog, v katerem ni izgub ali odpadkov. Po navedbah fundacije Ellen Macarthur so tri načela krožnega gospodarstva:

Ohraniti in povečati naravni kapital, nadzorovati končne zaloge in uravnotežiti pretok obnovljivih virov;
Optimizirajte proizvodnjo virov, krožnih izdelkov, sestavnih delov in materialov z najvišjo stopnjo uporabnosti ves čas, tako v tehničnem kot biološkem ciklu;
Spodbujati učinkovitost sistema, razkrivati negativne zunanje učinke in jih izključevati pri projektih.

Trenutno živimo v linearnem produktivnem sistemu. Izvlečemo, proizvedemo, porabimo in odstranimo. Toda naravni viri so omejeni in jih moramo ohraniti - to je prvo načelo krožnega gospodarstva.

S sintetično biologijo bomo v prihodnosti morda lahko nadomestili pridobivanje nekaterih naravnih virov. Poleg ohranjanja okolja bomo prihranili ogromno energije in se približali modelu od zibelke do zibelke (zibelka do zibelke - sistem, v katerem sploh ni pojma o odpadkih).

Zamenjava materialov

Sposobnost obvladovanja bakterij in njihovega delovanja pri nas lahko ustvari različne alternative za vložke ali procese. Na primer: ustvarjanje novih biološko razgradljivih materialov, ki jih je mogoče vključiti nazaj v cikel in zdaj služijo kot hranila drugim bitjem, na primer gnojilo za nasade.

S sintetično biologijo že obstajajo nekatere vrste polimerov, na primer plastika, izdelana iz fermentacije sladkorja in naravno razgrajena z mikroorganizmi, ki obstajajo v tleh. Za izdelavo bioplastike se lahko uporabljajo tudi drugi materiali, kot so koruza, krompir, sladkorni trs, les. Obstajajo tudi paketi iz micelija (slika spodaj) gob, ki jih lahko oblikujemo in nadomestimo stiropor.

Slika: Biorazgradljiva embalaža podjetja Ecovative Design z uporabo micelijevega materiala iz kmetijskih odpadkov podjetja Mycobond je licencirana pod (CC BY-SA 2.0)

Druge aplikacije, ki jih svet ocenjuje, se še razvijajo ... Sintetični kavčuk danes v celoti izvira iz petrokemičnih virov, zato raziskave poskušajo ustvariti pnevmatike iz bioizoprena . Rastlinski encimi se v mikroorganizem vnesejo s prenosom genov in tako proizvedejo izopren. V Braziliji preučujejo metodo pretvorbe metana v biološko razgradljivo plastiko z mikroorganizmi v nadzorovanih pogojih. Kemični proizvodi, akril, razvoj cepiv, obdelava kmetijskih odpadkov, antibiotiki so med drugim primeri sintetičnih bioloških izdelkov, ki jih je mogoče vstaviti nazaj v tok in ustvariti cikličen sistem.

Da vključimo drugo načelo krožnega gospodarstva, lahko sintetična biologija ustvari materiale, ki so bolj odporni in trajajo dlje časa, ne da bi potrebovali nenehna popravila, menjavo delov ali celo pogosto kupovanje novih izdelkov. Izdelani so materiali, ki jih je mogoče enostavno ponovno uporabiti v drugih procesih, ustvariti nove izdelke ali jih je lažje reciklirati. Če bi ves ta hipotetični material imel te pogoje, ne bi postali odpadki, z zmanjšanjem onesnaževanja in odstranjevanjem na odlagališčih, to pomeni, da bi jih še naprej krožili za uporabo.

Druga plat zgodbe

Ta tehnologija je še vedno zelo nova in z odkritjem vedno več uporab in materialov, ki jih je mogoče nadomestiti s sintetiko, se pridobivanje virov iz okolja zmanjša, kar mu omogoča naravno obnovo. Ko se povrne sposobnost odpornosti okolja, se ravnovesje vzpostavi in lahko bomo živeli na bolj trajnostnem planetu.

Toda kot pri vsem, kar je dobro, je tudi tu nekaj stisk. Ta znanstvena veja, ki velja tudi za ekstremni genski inženiring, potrebuje uradni nasvet. Izdelki morajo imeti podrobne predpise in priporočila, da se prepreči kakršna koli možnost napak, tako da postanejo tveganja in koristi očitne še pred komercializacijo. Ker so bili začetni poskusi v sintetični biologiji ekonomsko zelo obetavni, še vedno ni veliko omejitev, kar bi lahko predstavljalo težavo.

Eden od negativnih učinkov, ki se lahko pojavijo, je izguba biotske raznovrstnosti z ustvarjanjem umetnih mikroorganizmov, ki lahko v okolju delujejo nepredvidljivo. Na primer: če se namerno ali ne sprosti sintetični mikroorganizem, včasih narave brez primere, se lahko obnaša kot vsiljivec in se razmnožuje, deregulira celotne ekosisteme, nemogoče pa je "loviti" in odstraniti vse bakterije iz okolja.

Glede socialnega vprašanja lahko revne države trpijo veliko bolj kot razvite države. Uporaba mikroorganizmov za množično proizvodnjo določenega izdelka lahko nadomesti celotne naravne nasade, milijoni družin pa ostanejo brez dela. Vendar pa bodo za hranjenje bakterij potrebne monokulture, saj je njihov vir energije biomasa.

V večjem obsegu bodo nekateri proizvodi potrebovali veliko organskih snovi, na primer sladkor. Morebiti brezposelne družine bodo začele saditi le sladkorni trs (biogoriva so že prinesla večje spremembe v rabi zemljišč), kar lahko med drugim vpliva na dostop do zemlje, vode in večjo uporabo pesticidov.

Vsa ta vprašanja so neposredno povezana z bioetiko. Moč sintetične biologije je ogromna. Oblikovanje organizmov tako, kot želimo, jih naredi nepredvidljive, zato morajo znanstveniki in družba to moč uporabljati odgovorno in varno, ob podpori vlad. To je vedno zapleteno vprašanje.

Vsi ti pozitivni ali negativni dejavniki lahko pomagajo ali ovirajo krožno gospodarstvo in naš planet. Toda o tej temi je treba še veliko razpravljati in pridobiti veliko znanja. Ni mogoče zanikati, da je sintetična biologija trend v prihodnosti, a najpomembneje je določiti, kako bo uporabljena ta napredna tehnologija.

Oglejte si kritični video o posledicah sintetične biologije.