Hvordan syntetisk biologi kan hjælpe miljøet

Det meste miljøvidenskab er fokuseret på, hvordan man skruer tiden tilbage, ikke skubbe det fremad, siger Ben Bostick, en geokemiker ved Lamont-Doherty Earth Observatory. "Vi tænker på, hvordan vi kan rulle vores fodaftryk tilbage, og ikke så meget om, hvordan vi kan gøre vores fodaftryk større på en positiv måde, " sagde han. "Men der er mange eksempler på syntetisk biologi, som jeg tror faktisk har et stort potentiale i miljøet. Tænk på, hvordan vi kan hjælpe vores miljø blot ved at gøre ting som at forbedre de materialer, vi laver ved hjælp af syntetisk biologi."

Syntetisk biologi (synbio) er konstruktionen af ​​biologiske komponenter, såsom enzymer og celler, eller funktioner og organismer, der ikke findes i naturen, eller deres redesign til at udføre nye funktioner. Syntetiske biologer identificerer gensekvenser, der giver organismer visse egenskaber, skabe dem kemisk i et laboratorium, indsæt dem derefter i andre mikroorganismer, ligesom E. coli, så de producerer de ønskede proteiner, egenskaber eller funktioner.

Siden 2011 har da jeg skrev en generel introduktion til synbio, feltet er vokset hurtigt.

En grund til dette er udviklingen af ​​genredigeringsværktøjet CRISPR-Cas9, første gang brugt i 2013, der lokaliserer, skærer og erstatter DNA på bestemte steder. En anden grund er, hvor nemt det er blevet at bruge Registry of Standard Biological Parts, som katalogiserer over 20, 000 genetiske dele eller BioBricks, der kan bestilles og bruges til at skabe nye syntetiske organismer eller systemer.

I 2018, investorer skænkede 3,8 milliarder dollars, og regeringer over hele verden investerede 50 millioner dollars i synbio-virksomheder. Inden 2022, det globale marked for synbio-applikationer forventes at være $13,9 milliarder. Men syntetisk biologi er stadig kontroversiel, fordi den involverer at ændre naturen, og dens potentiale og risici er ikke helt forstået.

Bostick, der arbejder på at afhjælpe arsenforurening af grundvandet ved at stimulere naturlige bakterier til at producere stoffer, som arsen klæber til, forklarede, at faktisk, hele det biologiske samfund, der arbejder på organismer, ændrer biologiske systemer hele tiden, men skift ikke genetisk materiale eller organismer. Forskere sletter enzymer, indsætte nye, og ændre forskellige ting for at forstå den naturlige verden "Det er standardteknikker nu, men de udføres mekanistisk, " sagde han. "Hvis du vil se, hvordan et protein virker, hvad laver du? Du ændrer det faktisk - det er præcis sådan, vi har studeret vores miljø. De er syntetiske, og de er biologiske ændringer, men de er bare ikke udført med det formål, der definerer syntetisk biologi." Synbio er mere kontroversiel, fordi dens formål er at bygge kunstige biologiske systemer, der ikke allerede eksisterer i den naturlige verden.

Alligevel, syntetisk biologi producerer nogle potentielle løsninger på vores mest vanskelige miljøproblemer. Her er nogle eksempler.

Håndtering af forurening

Mikrober er blevet brugt til at fornemme, identificere og kvantificere miljøforurenende stoffer i årtier. Nu er syntetiserede mikrobielle biosensorer i stand til at målrette mod specifikke toksiner såsom arsen, cadmium, kviksølv, nitrogen, ammonium, nitrat, fosfor og tungmetaller, og reagere på forskellige måder. De kan konstrueres til at generere en elektrokemisk, termisk, akustisk eller bioluminescerende signal, når man støder på det udpegede forurenende stof.

Nogle mikrober kan dekontaminere jord eller vand naturligt. Syntetisering af visse proteiner og overførsel af dem til disse bakterier kan forbedre deres evne til at binde til eller nedbryde tungmetaller eller radionuklider. En jordbakterie fik nye reguleringskredsløb, der leder den til at indtage industrielle kemikalier som mad. Forskere i Skotland udvikler bakterier til at omdanne tungmetaller til metalliske nanopartikler, som bruges i medicin, industri og brændstoffer.

CustoMem i Storbritannien bruger syntetisk biologi til at skabe et granulært materiale, der tiltrækker og klæber til mikroforurenende stoffer såsom pesticider, lægemidler, og visse kemikalier i spildevand. Og australske forskere forsøger at skabe en flercellet struktur, de kalder en "syntetisk vandmand", der kunne frigives efter et giftigt udslip for at nedbryde forureningen.

Bevarelse af biodiversiteten

Amerikanske kastanjetræer dominerede østkysten af ​​USA indtil 1876, da en svamp båret på importerede kastanjefrø ødelagde dem, efterlader mindre end én procent i 1950. For at lave ildfaste træer, forskere har indsat et hvede gen i kastanje embryoner, gør dem i stand til at lave et enzym, der afgifter svampen. Dette kastanjetræ bliver sandsynligvis den første genetisk modificerede organisme, der bliver frigivet i naturen, når det er godkendt af landbrugsministeriet, Food and Drug Administration (FDA) og Environmental Protection Agency (EPA).

Genopliv og gendan, en organisation, der bruger genetiske teknikker til at bevare biodiversiteten, forsøger at redde den truede sortfodede ilder, som er modtagelig for sylvatisk pest. Fordi den tamme ilder ikke er, forskere studerer muligheden for at finde de gener, der giver den tamme ilder resistens og redigere dem ind i sortfodets ilders genom. Forskningen vil begynde med cellekulturer i laboratoriet.

Gendrift er mekanismer, der spreder et ønsket genetisk træk gennem en population for at kontrollere invasive arter. Et gendrev var for nylig under overvejelse for at bekæmpe guldmuslingen, som har invaderet sydamerikanske og latinamerikanske farvande. Efter at have identificeret generne relateret til reproduktion og infertilitet i guldmuslinger, forskere foreslog at bruge CRISPR-Cas9 til at redigere muslingens genom for at gøre hunnerne infertile. De genetisk modificerede muslinger ville så blive avlet med vilde muslinger i laboratoriet, skabe modificerede embryoner, der kunne frigives i naturen for at sprede infertilitet i hele befolkningen. Et gendrev til at eliminere myg, der bærer malaria, har virket i laboratoriet, men intet manipuleret gendrev er blevet forsøgt på området endnu.

Nogle forskere arbejder også på at modificere koralgenomer for at give dem mere modstand mod opvarmning af havtemperaturer, forurening og havforsuring. Andre har foreslået at modificere generne fra cyanobakterier, der påvirker fugtigheden i jordskorpen i halvørkenøkosystemer, så jorden bevarer mere vand og mere vegetation kan vokse.

At brødføde verden

Med verdens befolkning, der forventes at nå 10 milliarder i 2050, den globale efterspørgsel efter fødevarer kan stige med 59 til 98 procent. Påvirkning af klimaændringer - højere temperaturer, ekstremt vejr, tørke, stigende niveauer af kuldioxid og havniveaustigninger - bringer mængden og kvaliteten af ​​vores fødevareforsyninger i fare.

Forbedring af landbruget

Forskere ved University of California, San Diego opdagede, at når planter møder tørre forhold, de frigiver et hormon, der lukker plantens porer for at holde på vandet, bremser dens vækst og holder frøene i dvale. Det hormon er dyrt at syntetisere, imidlertid, så videnskabsmænd arbejdede med syntetisk udviklede receptorer i tomatplanter, der reagerede på en lignende vandbesparende måde på et almindeligt brugt fungicid i stedet, gør planterne mere modstandsdygtige over for tørke.

Salk Instituttets forskere har identificeret de gener, der tilskynder en plantes rodsystem til at vokse dybere ned i jorden. De planlægger at konstruere genetiske veje for at få dybere rødder, som vil sætte afgrødeplanter i stand til at modstå stress, opsamle mere kulstof og berige jorden.

Mikrober, der lever med bælgfrugter, giver dem evnen til at omdanne nitrogen fra atmosfæren til næringsstoffer, planten har brug for for at vokse. Imidlertid, fordi andre planter ikke naturligt kan optage nitrogen, landmænd har traditionelt brugt kunstgødning. Produktion af gødning, hovedsageligt fremstillet af fossile brændstoffer, resulterer i drivhusgasemissioner og eutrofiering. Som et alternativ, Pivot Bio, en californisk virksomhed, konstruerede generne fra en mikrobe, der lever på majsrødderne, hvede- og risplanter for at sætte mikroben i stand til at trække nitrogen ud af luften og fodre det til en plante i bytte for næringsstoffer. I feltforsøg, dens nitrogenproducerende mikrobe til majs gav 7,7 skæpper pr. acre mere end kemisk befrugtede marker.

Ny mad

Landbrug, herunder husdyropdræt, er ansvarlig for omkring 8 procent af USA's drivhusgasemissioner. Genmodificerede mikrober bliver brugt til at producere fødevarer, der er mere bæredygtige, etisk og potentielt sundere. Motif Ingredients udvikler alternative proteiningredienser uden animalsk landbrug. Den bruger konstruerede mikrober til at producere fødevareproteiner, der kan skræddersyes til at efterligne smag eller teksturer svarende til dem, der findes i oksekød og mejeriprodukter.

Impossible Foods' plantebaserede burger indeholder syntetiseret hæm, det jernholdige molekyle, der findes i dyr og planter, og som giver kød dens blodige smag. At lave det, videnskabsmænd tilføjede et plantegen til gær, hvilken, efter gæring, producerede store mængder af hæmproteinet. Impossible Burger bruger 75 procent mindre vand og 95 procent mindre jord end en almindelig oksekødburger, og producerer 87 procent færre drivhusgasudledninger.

Efterhånden som efterspørgslen efter fisk og skaldyr vokser globalt (fiskebestandene er allerede 90 procent overfiskede), det samme gør behovet for fiskemel, proteinpillerne lavet af malet småfisk og korn, der fodrer både opdrættede fisk og husdyr. Californien-baserede NovoNutrients bruger CO ₂ fra industrielle emissioner til fodring af laboratorieskabte bakterier, som så producerer protein svarende til de aminosyrer fisk får ved at spise mindre fisk; bakterierne erstatter fiskemelet, forsyne fisken med protein og andre næringsstoffer.

At skabe grønnere produkter

Brændstoffer

Afbrænding af fossile brændstoffer til energi udgjorde 94 procent af den samlede amerikansk menneskeskabte CO ₂ emissioner i 2016, så en masse forskning er rettet mod at skabe bedre biobrændstoffer, der ikke konkurrerer med fødevareproduktion, jordens næringsstoffer eller plads. Den seneste generation af biobrændstoffer fokuserer på konstruerede mikroalger, som har højt fedt- og kulhydratindhold, vokser hurtigt og er relativt robuste. Altering their metabolic pathways enables them to photosynthesize more efficiently, produce more oil, absorb more carbon, and be hardier so that their numbers can be scaled up.

LanzaTech in Illinois identified an organism that naturally makes ethanol from industrial waste gases. After the company engineered it with "pathways" from other organisms to improve its performance, the organism is able to produce unique molecules for valuable chemicals and fuels. LanzaTech's first commercial plant in China has produced over seven million gallons of ethanol from steel mill emissions that can be converted into jet fuel and other products.

Materials

165 million tons of plastic have trashed the oceans, with almost 9 million more tons being added each year. Synbio could provide a solution to this pollution problem, both by degrading plastic and replacing it.

I 2016 researchers in Japan identified two enzymes in a bacterium that enable it to feed on and degrade PET plastic, the kind used for water bottles and food containers. Siden da, researchers around the world have been analyzing how the enzymes break down the plastic and trying to improve their ability to do so.

California-based Newlight Technologies is using a specially developed microorganism-based biocatalyst (similar to an enzyme) to turn waste gas captured from air into a bioplastic. The biocatalyst pulls carbon out of methane or carbon dioxide from farms, water treatment plants, landfills, or energy facilities, then combines it with hydrogen and oxygen to synthesize a biopolymer material. The biopolymer, called AirCarbon, can replace plastic in furniture and packaging.

Lignin is a key component of plants that, like other types of biomass, could be used for renewable fuels and chemicals. Since very few bacteria and fungi can break it down naturally, scientists have been trying for years to develop an efficient way of doing so. Now some have engineered a naturally occurring enzyme to break it down, which could eventually make it possible to use lignin for nylon, bioplastics and even carbon fiber.

The manufacturing of complex electronic devices requires toxic, rare, and non-renewable substances, and generates over 50 million tons of e-waste each year. Simon Vecchioni, der for nylig forsvarede sin ph.d. in biomedical engineering at Columbia University, is using synthetic biology to produce DNA nanowires and networks as an alternative to silicon device technology.

Vecchioni ordered synthesized DNA from a company, used it to create his own custom BioBrick—a circular piece of DNA—and inserted it into the bacterium E.coli, which created copies of the DNA. He then cut out a part of the DNA and inserted a silver ion into it, turning the DNA into a conductor of electricity. His next challenge is to turn the DNA nanowires into a network. The DNA nanowires may one day replace wires made of valuable metals such as gold, silver (which Vecchioni only uses at the atomic scale), platinum and iridium, and their ability to "self-assemble" could eliminate the use of the toxic processing chemicals used to etch silicon.

"A technology for fabricating nanoscale electrical circuits could transform the electronics industry. Bacteria are microscale factories, and DNA is a biodegradable material, " he said. "If we are successful, we can hope to produce clean, cheap, renewable electronics for consumer use."

Building materials

The production of cement (a key ingredient of concrete) is responsible for about eight percent of global greenhouse gas emissions because of the energy needed to mine, transport and prepare the raw materials. bioMASON in North Carolina provides an alternative by placing sand in molds and injecting it with bacteria, which are then fed calcium ions in water. The ions create a calcium carbonate shell with the bacteria's cell walls, causing the particles to stick together. A brick grows in three to five days. bioMASON's bricks can be customized to glow in the dark, absorb pollution, or change color when wet.

Dressing more sustainably

Fast fashion has a disastrous impact on the environment because of its dyes and fabric finishes, fossil fuel use and microfiber pollution. About three-fourths of the water used for dyeing ends up as toxic wastewater, and over 60 percent of textiles are made from polyester and other fossil fuel-based fibers that shed microfibers when washed, polluting our waters.

French company Pili synthesizes enzymes that can be tailored to produce different colors, then integrates them into bacteria. The bacteria are then able to create pigments. Pili's dye is produced without petroleum products or chemicals, and uses one-fifth the water of regular dyes.

Spider silk, considered one of nature's strongest materials, is elastic, durable and soft. Bolt Threads, based in San Francisco, studied spider DNA to figure out what gives spider silk its special characteristics, then engineered genes accordingly and put them into yeast, hvilken, after fermentation, produce large quantities of liquid silk proteins. The silk protein is then spun into fibers, which can be made into renewable Microsilk.

The risks of synbio

I USA, synbio chemicals and pharmaceuticals are mainly regulated by the Toxic Substances Control Act of 1976. Other synbio commercial products and applications are regulated by the EPA, Department of Agriculture, and the FDA. But do these agencies have the capacity and effectiveness to monitor synthetic biology as fast as it's developing and changing?

As some syn bio applications are starting to move out of the lab, there are worries about its potential environmental risks. If an engineered organism, such as those used in gene drives, is released into nature, could it prove more successful than existing species in an ecosystem and spread unchecked?

Bostick noted that each synthetic biology project today is usually focused on one very specific modification. "It's adding or altering a single enzyme, possibly putting in a series of enzymes so that it can do one thing, " he said. "Very seldom do you tweak the rest of the organism, so it's not critical to the success of the organism and it's not likely to run rampant. From a scientific standpoint, it's hard to change more than one thing."

I øvrigt, according to Vecchioni, most synbio research is being done by student groups through iGEM's International Genetically Engineered Machine Competition, and every iGEM project must have a safety component—some way to turn off the gene or regulate it if it gets out.

Another concern is that the creation or modification of organisms could be used to create a disease for the purpose of bioterrorism. Vecchioni explained that the FBI is on the lookout for this. "They walk in nicely and say 'hi, we're watching, '" he said. "They also go to conferences and just make sure people are being smart about it." He added that DNA synthesis companies are also on alert. "They have a library of known dangerous pieces of DNA, so if you try to order something that is known to create disease in any organism, the FBI will come knocking on your door."

A more recent concern is that research institutes have begun setting up biofoundries, facilities that rely heavily on automation and artificial intelligence (AI) to enhance and accelerate their biotechnology capabilities. Jim Thomas, co-executive director of the ETC Group, which monitors emerging technologies, is concerned about the tens of thousands of organisms that AI is being used to create. "It raises a real safety question because if you have something go wrong, you potentially don't understand why it went wrong, " said Thomas. "With AI it's a bit of a black box." He noted that most experts agree that there has to be a process for monitoring and assessing new developments in synbio.

Despite the potential risks of synbio, its potential benefits for the planet are huge. And as our environment is battered by the impacts of climate change and human activity, we need to explore all options. "We need every possible solution to even remotely get to the magnitude of change that we need to improve our world, " said Bostick.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.