De meeste milieuwetenschap is gericht op het terugdraaien van de klok, duw het niet naar voren, zegt Ben Bostick, een geochemicus bij Lamont-Doherty Earth Observatory. "We denken na over hoe we onze voetafdruk kunnen terugdringen, en niet zozeer over hoe we onze voetafdruk op een positieve manier kunnen vergroten, " zei hij. "Maar er zijn veel voorbeelden van synthetische biologie waarvan ik denk dat ze veel potentieel hebben in het milieu. Bedenk hoe we ons milieu kunnen helpen door dingen te doen zoals het verbeteren van de materialen die we maken met synthetische biologie."

Synthetische biologie (synbio) is de constructie van biologische componenten, zoals enzymen en cellen, of functies en organismen die niet in de natuur voorkomen, of hun herontwerp om nieuwe functies uit te voeren. Synthetische biologen identificeren gensequenties die organismen bepaalde eigenschappen geven, maak ze chemisch in een laboratorium, steek ze dan in andere micro-organismen, zoals E. coli, zodat ze de gewenste eiwitten produceren, kenmerken of functies.

Sinds 2011, toen ik een algemene inleiding tot synbio schreef, het veld is snel gegroeid.

Een reden hiervoor is de ontwikkeling van de genbewerkingstool CRISPR-Cas9, voor het eerst gebruikt in 2013, dat lokaliseert, knipt en vervangt DNA op specifieke locaties. Een andere reden is hoe gemakkelijk het is geworden om het Register van Standaard Biologische Onderdelen te gebruiken, die catalogi meer dan 20, 000 genetische onderdelen of BioBricks die kunnen worden besteld en gebruikt om nieuwe synthetische organismen of systemen te creëren.

in 2018, investeerders stortten $ 3,8 miljard en regeringen over de hele wereld investeerden $ 50 miljoen in synbio-bedrijven. tegen 2022, de wereldwijde markt voor synbio-toepassingen wordt geraamd op $ 13,9 miljard. Maar synthetische biologie is nog steeds controversieel omdat het gaat om het veranderen van de natuur en het potentieel en de risico's ervan niet volledig worden begrepen.

Bostick, die werkt aan het saneren van arseenverontreiniging van grondwater door natuurlijke bacteriën te stimuleren stoffen te maken waar arseen aan blijft kleven, legde uit dat, in feite, de hele biologische gemeenschap die op organismen werkt, verandert voortdurend biologische systemen, maar verander geen genetisch materiaal of organismen. Wetenschappers verwijderen enzymen, nieuwe plaatsen, en verschillende dingen veranderen om de natuurlijke wereld te begrijpen "Dat zijn nu standaardtechnieken, maar ze worden mechanisch gedaan, " zei hij. "Als je wilt zien hoe een eiwit werkt, Wat doe jij? Je verandert het eigenlijk - dat is precies hoe we onze omgeving hebben bestudeerd. Ze zijn synthetisch en het zijn biologische veranderingen, maar ze zijn gewoon niet gedaan met het doel dat synthetische biologie definieert." Synbio is meer controversieel omdat het doel is om kunstmatige biologische systemen te bouwen die nog niet in de natuurlijke wereld bestaan.

Hoe dan ook, synthetische biologie levert een aantal mogelijke oplossingen voor onze meest hardnekkige milieuproblemen. Hier zijn enkele voorbeelden.

Omgaan met vervuiling

Microben zijn gebruikt om te voelen, decennia lang milieuverontreinigende stoffen identificeren en kwantificeren. Nu kunnen gesynthetiseerde microbiële biosensoren zich richten op specifieke toxines zoals arseen, cadmium, kwik, stikstof, ammonium, nitraat, fosfor en zware metalen, en op verschillende manieren reageren. Ze kunnen worden ontworpen om een ​​elektrochemische, thermisch, akoestisch of bioluminescent signaal bij het tegenkomen van de aangewezen verontreinigende stof.

Sommige microben kunnen de bodem of het water op natuurlijke wijze ontsmetten. Het synthetiseren van bepaalde eiwitten en het overbrengen ervan naar deze bacteriën kan hun vermogen om zware metalen of radionucliden te binden of af te breken, verbeteren. Eén bodembacterie kreeg nieuwe regulerende circuits die hem ertoe aanzetten om industriële chemicaliën als voedsel te consumeren. Onderzoekers in Schotland ontwikkelen bacteriën om zware metalen om te zetten in metalen nanodeeltjes, die in de geneeskunde worden gebruikt, industrie en brandstoffen.

CustoMem in het VK gebruikt synthetische biologie om een ​​korrelig materiaal te maken dat microverontreinigingen zoals pesticiden, geneesmiddelen, en bepaalde chemicaliën in afvalwater. En Australische onderzoekers proberen een meercellige structuur te creëren die ze een "synthetische kwal" noemen en die zou kunnen vrijkomen na een giftige lekkage om de verontreinigingen af ​​te breken.

Behoud van biodiversiteit

Amerikaanse kastanjebomen domineerden de oostkust van de VS tot 1876, toen een schimmel met geïmporteerde kastanjezaden hen verwoestte, tegen 1950 minder dan één procent overblijven. Om bacterievuurbestendige bomen te maken, wetenschappers hebben een tarwegen ingebracht in kastanje-embryo's, waardoor ze een enzym kunnen maken dat de schimmel ontgift. Deze kastanjeboom zal waarschijnlijk het eerste genetisch gemodificeerde organisme worden dat in het wild wordt uitgezet zodra het is goedgekeurd door het ministerie van Landbouw, de Food and Drug Administration (FDA) en de Environmental Protection Agency (EPA).

Herleven en herstellen, een organisatie die genetische technieken gebruikt om de biodiversiteit te behouden, probeert de bedreigde zwartvoetfret te redden, die vatbaar is voor sylvatische plaag. Omdat de binnenlandse fret dat niet is, wetenschappers bestuderen de mogelijkheid om de genen te vinden die de huisfret resistentie geven en deze te bewerken in het genoom van de zwartvoetige fret. Het onderzoek begint met celculturen in het lab.

Gene drives zijn mechanismen die een gewenste genetische eigenschap door een populatie verspreiden om invasieve soorten te beheersen. Onlangs werd een gene drive overwogen om de goudmossel te bestrijden, die de Zuid-Amerikaanse en Latijns-Amerikaanse wateren is binnengevallen. Na het identificeren van de genen gerelateerd aan reproductie en onvruchtbaarheid in gouden mosselen, wetenschappers stelden voor om CRISPR-Cas9 te gebruiken om het genoom van de mossel te bewerken om de vrouwtjes onvruchtbaar te maken. De genetisch gemodificeerde mosselen zouden dan in het laboratorium worden gekweekt met wilde mosselen, het creëren van gemodificeerde embryo's die in het wild zouden kunnen worden vrijgelaten om onvruchtbaarheid door de populatie te verspreiden. Een gene drive om muggen die malaria dragen te elimineren, heeft in het laboratorium gewerkt, maar er is nog geen gemanipuleerde gene drive in het veld uitgeprobeerd.

Sommige wetenschappers werken ook aan het modificeren van koraalgenomen om ze meer weerstand te geven tegen de opwarmende oceaantemperaturen, vervuiling en verzuring van de oceaan. Anderen hebben voorgesteld de genen van cyanobacteriën die het vocht in de bodemkorst van semi-woestijnecosystemen aantasten te wijzigen, zodat de bodem meer water vasthoudt en er meer vegetatie kan groeien.

De wereld voeden

Nu de wereldbevolking in 2050 naar verwachting 10 miljard zal bereiken, de wereldwijde vraag naar voedsel zou met 59 tot 98 procent kunnen toenemen. De gevolgen van klimaatverandering:hogere temperaturen, extreem weer, droogte, toenemende niveaus van kooldioxide en zeespiegelstijging - brengen de kwantiteit en kwaliteit van onze voedselvoorziening in gevaar.

Verbetering van de landbouw

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego ontdekte dat wanneer planten te maken krijgen met droge omstandigheden, ze geven een hormoon af dat de poriën van de plant sluit om water vast te houden, vertraagt ​​de groei en houdt de zaden slapend. Dat hormoon is duur om te synthetiseren, echter, dus werkten wetenschappers met synthetisch ontwikkelde receptoren in tomatenplanten die in plaats daarvan op een vergelijkbare waterbesparende manier reageerden op een veelgebruikt fungicide, waardoor de planten beter bestand zijn tegen droogte.

De wetenschappers van het Salk Institute hebben de genen geïdentificeerd die het wortelstelsel van een plant stimuleren om dieper in de grond te groeien. Ze zijn van plan om genetische paden te ontwikkelen om diepere wortels aan te sporen, waardoor gewassen stress kunnen weerstaan, meer koolstof vastleggen en de bodem verrijken.

Microben die met peulvruchten leven, geven ze het vermogen om stikstof uit de atmosfeer om te zetten in voedingsstoffen die de plant nodig heeft om te groeien. Echter, omdat andere planten van nature geen stikstof kunnen opnemen, boeren gebruiken traditioneel kunstmest. De productie van kunstmest, voornamelijk gemaakt van fossiele brandstoffen, leidt tot uitstoot van broeikasgassen en eutrofiëring. Als een alternatief, Draai bio, een Californisch bedrijf, de genen ontwikkeld van een microbe die leeft op de wortels van maïs, tarwe- en rijstplanten om de microbe in staat te stellen stikstof uit de lucht te halen en aan een plant te geven in ruil voor voedingsstoffen. Bij veldproeven, de stikstofproducerende microbe voor maïs leverde 7,7 bushels per hectare meer op dan chemisch bemeste velden.

Nieuw voedsel

Landbouw, inclusief het fokken van vee, is verantwoordelijk voor ongeveer 8 procent van de Amerikaanse uitstoot van broeikasgassen. Genetisch gemodificeerde microben worden gebruikt om voedsel te produceren dat duurzamer is, ethisch en mogelijk gezonder. Motif Ingredients ontwikkelt alternatieve eiwitingrediënten zonder veeteelt. Het maakt gebruik van gemanipuleerde microben om voedingseiwitten te produceren die kunnen worden aangepast om smaken of texturen na te bootsen die vergelijkbaar zijn met die in rundvlees en zuivelproducten.

De plantaardige burger van Impossible Foods bevat gesynthetiseerde heem, het ijzerbevattende molecuul dat in dieren en planten wordt aangetroffen en dat vlees zijn bloederige smaak geeft. Het maken, wetenschappers voegden een plantengen toe aan gist, die, na fermentatie, produceerde grote hoeveelheden van het heem-eiwit. Impossible Burger gebruikt 75 procent minder water en 95 procent minder land dan een gewone runderburger, en produceert 87 procent minder uitstoot van broeikasgassen.

Aangezien de vraag naar zeevruchten wereldwijd groeit (de visbestanden zijn al voor 90 procent overbevist), dat geldt ook voor de behoefte aan vismeel, de eiwitpellets gemaakt van vermalen kleine vissen en graan die zowel gekweekte vis als vee voeden. NovoNutrients uit Californië gebruikt CO ₂ van industriële emissies tot het voeden van in het laboratorium gecreëerde bacteriën, die vervolgens eiwitten produceren die vergelijkbaar zijn met de aminozuren die vissen krijgen door kleinere vissen te eten; de bacteriën vervangen het vismeel, de vissen voorzien van eiwitten en andere voedingsstoffen.

Groenere producten maken

brandstoffen

Het verbranden van fossiele brandstoffen voor energie was goed voor 94 procent van de totale antropogene CO . in de VS ₂ uitstoot in 2016, dus veel onderzoek is gericht op het maken van betere biobrandstoffen die niet concurreren met voedselproductie, bodemvoedingsstoffen of ruimte. De nieuwste generatie biobrandstoffen richt zich op kunstmatige microalgen, die een hoog vet- en koolhydraatgehalte hebben, groeien snel en zijn relatief robuust. Door hun metabole routes te veranderen, kunnen ze efficiënter fotosynthetiseren, meer olie produceren, meer koolstof opnemen, en harder zijn zodat hun aantal kan worden opgeschaald.

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.

Materialen

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.

in 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. Vanaf dat moment, 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, who recently defended his 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, die, 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

In the U.S., 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."

Bovendien, 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.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.