Научете за синтетичната биология, наука, способна да синтезира организми, за да произвежда това, което искаме, и как може да се свърже с околната среда

Бил Оксфорд в Unsplash изображение

Паяци и насекоми, произвеждащи дрехите, които носите? Звучи странно, но вече има компании, които правят това. Изследователите са изследвали ДНК на паяците и са анализирали как те произвеждат копринени влакна. Така те успяха да възпроизведат в лабораторията влакно, направено от вода, захар, сол и дрожди, което под микроскоп има същите химични характеристики като естественото. Също така вече има „краве мляко“, което не идва от кравата, и дори нишка, по-силна от стоманата, произведена от вискозно вещество на рибата. Всичко това са примери за приложението на синтетичната биология.

Синтетична биология

В края на 20 век започва биотехнологична революция, в която се появяват нови аспекти на биологията. Синтетичната биология е област, която придоби популярност от официалното си появяване през 2003 г. и има основните си възможности за приложение в индустрията, околната среда и човешкото здраве.

Определението за синтетична биология се дава чрез интегриране на различни области на научните изследвания (химия, биология, инженерство, физика или компютърни науки) с изграждането на нови биологични компоненти, включително и с препроектиране на естествени биологични системи, които вече съществуват. Използването на рекомбинантна ДНК технология (ДНК последователност от различни източници) не е предизвикателство за синтетичната биология, както вече се случва; залогът е да се проектират организми, които отговарят на настоящите нужди на човечеството.

Съюзник на синтетичната биология е биомимикрията, която търси решения на нашите нужди, вдъхновени от природата. Със синтетичната биология ще бъде възможно да се пресъздадат цели системи, а не само част.

През 2010 г. синтетичната биология придоби известност. Същата година американският учен Джон Крейг Вентър успя да постигне нещо гениално: той създаде първия организъм с изкуствен живот в лаборатория в историята. Той не създаде нова форма на живот сам по себе си, но „отпечата“ ДНК, създадена от цифрови данни, и я въведе в жива бактерия, превръщайки я в синтетичната версия на бактериите Mycoplasma mycoides . Вентър твърди, че това е „първият жив организъм, чийто баща е компютър“.

Днес в Интернет е налична база данни с хиляди ДНК „рецепти“, които трябва да бъдат отпечатани, наречени биоцикли . Бактериите със синтетичен геном действат точно по същия начин като естествената им версия и по този начин ние сме в състояние да препрограмираме бактериите и да ги накараме да действат по начина, по който искаме да произвеждат определени материали, като коприна и мляко.

Фирмата, отговорна за производството на копринени влакна от наблюдението на паяци, споменато в началото на този текст, е Bolt Threads. Изкуственото „краве мляко“ е Muufri, създадено от двама вегански биоинженери. Произвежда се по същите принципи като бирата и представлява смес от съставки (ензими, протеини, мазнини, въглехидрати, витамини, минерали и вода). Това "синтетично мляко" има същите вкусови и хранителни характеристики като оригинала. Хипер-устойчивата нишка е дело на лабораторията Benthic Labs, която произвежда различни материали, като въжета, опаковки, дрехи и здравни продукти, използвайки тази нишка от хагфиш(видове риби, известни още като миксини). ДНК кодът на рибата се въвежда в бактериалната колония, която започва да синтезира нишката. Той е десет пъти по-тънък от косъм, по-здрав от найлон, стомана и има абсорбиращи и антимикробни свойства.

Ако успеем да пресъздадем такива „природни“ ресурси, с напредването на изследванията, синтетичната биология може да замени използването на някои суровини. По този начин тази технология може да бъде въведена като фактор от голямо значение за концепцията за кръгова икономика, какъвто е случаят с технологиите, които абсорбират разливи от нефт или бактерии, които ядат пластмаса.

Включване на синтетичната биология в кръговата икономика

Изображение на Родион Куцаев в Unsplash

Кръговата икономика е структурен модел, който представлява затворен цикъл, в който няма загуби или загуби. Трите принципа на кръговата икономика, според Фондация Елън Макартър, са:

Запазване и увеличаване на природния капитал, контролиране на крайните запаси и балансиране на потока от възобновяеми ресурси;
Оптимизирайте производството на ресурси, циркулиращи продукти, компоненти и материали с най-високо ниво на полезност по всяко време, както в техническия, така и в биологичния цикъл;
Насърчаване на ефективността на системата, разкриване на негативни външни ефекти и изключването им в проекти.

В момента живеем в линейна производствена система. Ние извличаме, произвеждаме, консумираме и изхвърляме. Но природните ресурси са ограничени и ние трябва да ги съхраняваме - това е първият принцип на кръговата икономика.

Със синтетичната биология в бъдеще може да сме в състояние да заменим добива на определени природни ресурси. В допълнение към опазването на околната среда, ще бъде спестяване на огромно количество енергия и се приближава модела от люлка до люлка ( craddle да craddle - система, в която не е идея на отпадъци).

Подмяна на материали

Способността да контролираме бактериите и да ги накараме да работят за нас може да създаде различни алтернативи за входящи материали или процеси. Например: създаването на нови биоразградими материали, които могат да бъдат интегрирани обратно в цикъла, като сега служат като хранителни вещества за други същества, като тор за плантации.

Вече има някои видове полимери, създадени от синтетичната биология, като пластмаса, направена от ферментацията на захар и разградена естествено с микроорганизми в почвата. Други материали също могат да се използват за производство на биопластмаси, като царевица, картофи, захарна тръстика, дърво и др. Има и опаковки, направени от мицела (изображението по-долу) с гъби, които могат да бъдат формовани и да заменят стиропора.

Изображение: Биоразградими опаковки, направени от Ecovative Design, използващи мицелиев биоматериал от селскостопански отпадъци от mycobond, са лицензирани под (CC BY-SA 2.0)

Други приложения, които се оценяват от света, все още са в процес на разработка ... Синтетичният каучук днес е изцяло получен от нефтохимични източници, така че изследванията се опитват да създадат гуми, произведени от BioIsoprene . Ензимите на растението се въвеждат в микроорганизма чрез генен трансфер, като по този начин се получава изопрен. В Бразилия се изучава метод за превръщане на метана в биоразградима пластмаса посредством микроорганизми при контролирани условия. Химическите продукти, акрилът, разработването на ваксини, третирането на селскостопански отпадъци, антибиотиците, наред с други, са примери за синтетични биологични продукти, които могат да бъдат вкарани обратно в потока, създавайки циклична система.

За да включи втория принцип на кръговата икономика, синтетичната биология може да създаде материали, които са по-устойчиви и издържат дълго време, без да се налага постоянен ремонт, смяна на части или дори купуване на нови продукти много често. Изработват се материали, които могат лесно да се използват повторно в други процеси, за създаване на нови продукти или които са по-лесни за рециклиране. Ако целият този хипотетичен материал имаше тези условия, те нямаше да станат отпадъци, с намаляване на замърсяването и изхвърлянето на депата, тоест те биха продължили да се разпространяват за употреба.

Другата страна на историята

Тази технология е все още много нова и с откриването на все повече и повече приложения и материали, които могат да бъдат заменени от синтетика, извличането на ресурси от околната среда намалява, което й позволява да се възстановява естествено. Връщайки капацитета на устойчивост на околната среда, балансът се възстановява и ще можем да живеем на по-устойчива планета.

Но като всичко, което е добро, има някои неприятности. Този научен клон, който също се счита за екстремно генно инженерство, се нуждае от официални съвети. Продуктите трябва да имат подробни разпоредби и препоръки, за да се избегне всякакъв шанс за грешка, така че рисковете и ползите да станат очевидни преди да се извърши комерсиализацията. Тъй като първоначалните експерименти в синтетичната биология бяха много обещаващи в икономическо отношение, все още няма много ограничения, което може да бъде проблем.

Един от негативните ефекти, които могат да възникнат, е загубата на биологично разнообразие със създаването на изкуствени микроорганизми, които могат да действат непредсказуемо в околната среда. Например: ако умишлено или не се освобождава синтетичен микроорганизъм, понякога безпрецедентен по своята същност, той може да се държи като нашественик и да се разпространява, дерегулирайки цели екосистеми и е невъзможно да се „ловува“ и да се отстранят всички бактерии от околната среда.

По социалния въпрос бедните страни могат да страдат много повече от развитите страни. Използването на микроорганизми за масовото производство на определен продукт може да замести цели естествени насаждения, оставяйки безработни милиони семейства. Ще има нужда обаче от монокултури за хранене на бактериите, тъй като техният енергиен източник е биомасата.

В голям мащаб някои продукти ще изискват много органични вещества, като захар. Вероятно безработни семейства ще започнат да засаждат само захарна тръстика (биогоривата вече са довели до значителни промени в земеползването), което може да се отрази на достъпа до земя, вода и увеличеното използване на пестициди, наред с други.

Всички тези въпроси са пряко свързани с биоетиката. Силата на синтетичната биология е огромна. Проектирането на организми по начина, по който искаме, ги прави непредсказуеми, така че учените и обществото трябва да използват тази сила отговорно и безопасно, подкрепена от правителствата. Това винаги е сложен въпрос.

Всички тези положителни или отрицателни фактори могат да помогнат или възпрепятстват кръговата икономика и нашата планета. Но има още много да се спори и много знания, които трябва да се издигнат по темата. Не може да се отрече, че синтетичната биология е тенденция за бъдещето, но най-важното е да се определи как ще се прилага тази модерна технология.

Вижте критично видео за последиците от синтетичната биология.