Hvordan konstruerede bakterier kunne rydde op i olier og forurening og mineaffald

Den voldsomme industrialisering har fået vores planet til at varme med en hidtil uset hastighed. Gletsjere smelter væk, og havniveauet stiger. Tørke varer længere og er mere ødelæggende. Skovbrande er mere intense. Ekstrem, en gang i en generation vejrhændelser-såsom kategori 5 orkaner-ser ud til at forekomme på årsbasis.

Miljøet er virkelig i alvorlig sundhed, og akutte handlinger er hårdt nødvendige. Men der er ægte optimisme om, at der endelig kan være løsninger på nogle af de største miljøudfordringer.

Tage, for eksempel, det årtier lange problem med oilandsand-afgangsdamme i Canada, den tredjestørste reserve af råolie i verden. Indvindingen af ​​denne olie bruger næsten tredoblet dets volumen i vand og efterlader en vandopslæmning, faste stoffer og organiske forurenende stoffer som affald. Oilsands operationer er inde i deres syvende årti, og mere end en billion liter spildevand findes nu i afgangsdamme.

Men et hurtigt voksende kollektiv af ingeniører, forskere, aktivister og iværksættere leverer nogle af de største gevinster inden for miljøsanering i de seneste årtier ved at sløre grænserne mellem fysisk, biologiske og digitale videnskaber. Vi kalder os syntetiske biologer.

Jeg har i vid udstrækning bidraget til forskning, uddannelse, kommercialisering og regulering af syntetisk biologi, herunder som grundlægger af Metabolik Technologies, en miljømæssig bioteknologisk satsning, der kommercialiserede en første af slagsen, lavenergi, billig og bæredygtig løsning til dekontaminering af olier og afgangsdamme.

En hurtig guide til syntetisk biologi

Den underliggende forudsætning for syntetisk biologi er lige så enkel som elegant:Naturen samler, demonterer og genbruger molekyler på den reneste og mest effektive måde, man kan forestille sig. De unikke instruktioner, der kræves for at opnå disse opgaver, findes i DNA.

Syntetiske biologer undersøger naturlige systemer for at forstå disse bemærkelsesværdige processer og derefter bruge lab-syntetiseret DNA til at omprogrammere dem til at udføre nye opgaver eller eksisterende opgaver mere effektivt.

Syntetisk biologi er blevet brugt til at forbedre enzymer, celler og populationer af celler til forskellige anvendelser såsom sansning, nedbrydning af kulbrinter og andre "evigt kemikalier" såsom per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS) i jord og vand og opsamling af kuldioxid og metan.

Vigtigere, mange af hovedpersonerne og påvirkerne af syntetisk biologi er millennials og zoomere, der blev opvokset med en fast diæt med tegnefilm lørdag morgen.

Engang fiktion, nu en rigtig løsning

Genetisk manipulerede bakterier, der tørrede olieudslip, var en fast bestanddel Captain Planet og planeterne , den animerede miljømæssige superhelte -serie, der blev lanceret i 1990. Mens disse begreber for to årtier siden var begrænset til skønlitterære sider, de er nu en realitet på grund af fremskridt inden for molekylærbiologi såsom CRISPR-genomredigering og fremkomsten af ​​fuldautomatiske genomiske støberier-robotsystemer, der udfører tusindvis af eksperimenter om dagen-til hurtigere design-build-test-lær-cykler.

Vigtigt, succeserne med syntetisk biologi inden for miljøsanering har ikke været engangsdemonstrationer i akademiske laboratorier. De er blevet bevist på området i store skalaer, og de har taget store bid ud af nogle af de største miljøudfordringer i verden.

Oversættelse af innovationer til feltet

Tailings damme indeholder organiske forbindelser såsom naphthensyrefraktionsforbindelser (NAFC'er) og polyaromatiske carbonhydrider (PAH'er), der er skadelige for vandlevende og menneskers sundhed og er notorisk vanskelige at fjerne fra vand. De vrimler også med mikrobielt liv.

Disse mikrober overlever ikke kun, men trives i det forurenede vand. De fornemmer, indtage og metabolisere de giftige forbindelser i vandet, omend i meget langsomme hastigheder. Mit team ved University of British Columbia og vores kolleger på Allonnia isolerede og studerede genomikken i disse unikke skabninger og, i samarbejde med Ginkgo Bioworks, øger nu deres appetit og metabolisme af de giftige forbindelser.

Efter validering af mikroorganismernes ydeevne i marken, UBC-Allonnia-teamet designede nogle af de største behandlingssystemer af deres art for at opnå de hastigheder og skalaer, der er nødvendige for at afhjælpe vandet inden for den tidslinje, der er foreskrevet i Albertas Tailings Management Framework.

Vi vil teste vores behandlingssystem ved afgangsdammene i begyndelsen af ​​2022 for at finjustere mikroorganismerne og reaktorerne, og vurdere risici. Nogle af disse risici omfatter ineffektivitet eller højere end forventede omkostninger ved teknologien, den potentielle skade, mikroberne kan forårsage økosystemet, og om regulatorer og aktionærer er trygge ved at implementere konstruerede mikroorganismer i miljøet.

Denne lille gruppe af syntetiske biologer lykkedes takket være tilgangens opfindsomhed og nye samarbejdsmodeller. Teamet involverede også oliesandsoperatører, ingeniørdesignfirmaer, kontraktfremstillingsvirksomheder og reguleringseksperter, der var i stand til at udnytte hver partners styrker for at reducere tiden, omkostninger og usikkerhed ved at udvikle en praktisk løsning.

Sjovet er kun lige begyndt

Syntetiske biologer er kun begyndt og har nu sat blikket på en række lignende store problemer. En, i særdeleshed, har betydelige konsekvenser for vores elektriske fremtid.

Udbredt anvendelse af elektriske køretøjer kan reducere CO2 -emissioner fra transportsektoren med næsten 50 procent. Desværre, minedrift af metaller brugt i elektriske køretøjer skader miljøet.

Minegiganten @TeckResources bidrager med mere end 1,5 millioner dollars til genvindingsindsatsen ved den berygtede Tulsequah Chief -mine, som den ejede tidligere og opgav i 1957. #bcpoli Via @writermjs https://t.co/UcOpvPpouv

- The Narwhal (@thenarwhalca) 10. juni kl. 2021

Fremstillingen af ​​et enkelt elektrisk køretøj genererer 250, 000 kilo mineaffald og 150, 000 liter ekstremt giftig væske kaldet sur stendræning, en stor trussel mod miljøet på grund af dens potentielt ødelæggende virkning på floder, vandløb og vandmiljøer.

Minedrift er spild og uholdbar, og industrien har et desperat behov for effektive løsninger til behandling af sine store affaldsgrupper. Mit nye opstartsfirma ArqMetal er ved at udvikle mikrobielle løsninger til helt at afskaffe haler. Hvis vi og andre som os har succes, vi fjerner affald, levere dekarbonisering, bevare biodiversiteten, skabe beskæftigelse og opnå en rimelig social udvikling. Er det ikke det, arkitekterne i Green New Deal havde i tankerne?

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.