Τι Είναι η Συνθετική Βιολογία και Γιατί Έχει Σημασία για τα Πλαστικά;

Η συνθετική βιολογία είναι ένας διεπιστημονικός τομέας που εφαρμόζει τις αρχές της μηχανικής στη βιολογία. Περιλαμβάνει επανασχεδιασμό οργανισμών για χρήσιμους σκοπούς με τη μηχανική τους για να έχουν νέες ικανότητες. Οι ερευνητές μπορούν να γράψουν νέο γενετικό κώδικα ⁇ όπως το λογισμικό γραφής ⁇ για να κάνουν τα μικρόβια να παράγουν χημικά, καύσιμα και υλικά που κάποτε προέρχονταν από απολιθωμένους πόρους.

Η βασική εργαλειοθήκη περιλαμβάνει σύνθεση DNA, επεξεργασία γονιδίων (ιδιαίτερα CRISPR-Cas9) και μηχανική μεταβολικών οδών. Συγκεντρώνοντας νέους συνδυασμούς γονιδίων, οι επιστήμονες μπορούν να δημιουργήσουν κυτταρικά εργοστάσια που παράγουν υψηλής αξίας ενώσεις με ακρίβεια.

Για παράδειγμα, ] μελέτη του 2021 σε Βιοτεχνολογία της φύσης που έχει αποδειχθεί ότι έχει κατασκευαστεί [E. coli] που παρήγαγε πολυυδροξυαλκανοϊτικά (PHA) σε αποδόσεις κατάλληλες για εμπορική κλίμακα.

Συνθετικές τεχνικές Βιολογίας Οδήγηση Βιο-βασισμένη πλαστική ανάπτυξη

Μηχανική μεταβολικής διαδρομής

Οι επιστήμονες σχεδιάζουν νέες οδούς σε οργανισμούς όπως E. coli, μαγιά, ή κυανοβακτήρια για να μετατρέψουν απλά σάκχαρα σε πρόδρομους πολυμερών. Για πολυυδροξυαλκανοϊδες (PHAs), η οδός περιλαμβάνει ένζυμα που πολυμερίζουν μονομερή υδροξυακυλ-CoA μέσα στο κύτταρο. Με την έκφραση ενζύμων λεπτού ταλάντωσης και την παρεμπόδιση ανταγωνιστικών οδών, οι ερευνητές μπορούν να ωθήσουν τη ροή άνθρακα προς τη συσσώρευση πολυμερούς, επιτυγχάνοντας μερικές φορές πάνω από το 80% του ξηρού βάρους του κυττάρου ως PHA.

Παρόμοια προσέγγιση χρησιμοποιείται για το πολυγαλαξιακό οξύ (PLA), αν και το PLA παράγεται συνήθως μέσω ζύμωσης γαλακτικού οξέος ακολουθούμενο από χημικό πολυμερισμό. Η συνθετική βιολογία επιτρέπει πλέον την άμεση βιολογική παραγωγή γαλακτιδίου, το κυκλικό διμερές γαλακτικού οξέος, το οποίο μπορεί να πολυμεριστεί χωρίς ξεχωριστά χημικά βήματα. Η Γενοματίτσα, ηγέτης της βιομηχανικής βιοτεχνολογίας, έχει πρωτοπορήσει σε τέτοιες οδούς για βιο-βασισμένα μονομερή που χρησιμοποιούνται σε νάιλον και πολυεστέρα αντικαταστάσεις.

Επεξεργασία CRISPR και γονιδιώματος

Το CRISPR-Cas9 έχει μειώσει δραματικά τον κύκλο σχεδιασμού-κατασκευής-δοκιμασίας-δαπανισμού. Όπου η παραδοσιακή γενετική μηχανική χρειάστηκε μήνες για να τροποποιήσει ένα μόνο γονίδιο, το CRISPR μπορεί να κάνει πολλαπλές επεξεργασίες σε μια εβδομάδα. Αυτό επιτρέπει την ταχεία πρωτοτυποποίηση συνθετικών μονοπατιών. Για παράδειγμα, ομάδες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας έχουν χρησιμοποιήσει CRISPR για να μηχανογραφήσουν Pseudomonas putida για την παραγωγή PHA μεσαίου μήκους αλυσίδας με προσαρμοσμένες μηχανικές ιδιότητες ⁇ από εύκαμπτες ταινίες σε άκαμπτα θερμοπλαστικά.

Συστήματα χωρίς κινητά

Μια αναδυόμενη προσέγγιση είναι η συνθετική βιολογία χωρίς κύτταρα, όπου τα ενζυματικά κοκτέιλ συναρμολογούνται in vitro για την παραγωγή πολυμερών εκτός των ζωντανών κυττάρων. Αυτό αποφεύγει ζητήματα τοξικότητας και μεταβολικού φόρτου. Οι startups όπως [[LFT:0]]EnginZyme[[LFT:1]] αναπτύσσουν πλατφόρμες χωρίς κύτταρα για την κλιμακούμενη βιοπλαστική παραγωγή που μπορούν να λειτουργούν συνεχώς, το κόστος κοπής και την ενεργειακή χρήση.

Βασικές βιο-βασισμένες πλαστικές ύλες ενεργοποιημένες από τη συνθετική βιολογία

Πολυυδροξυαλκανοϊκό (PHA)

Οι PHA είναι πολυεστέρες που παράγονται από βακτήρια ως αποθήκευση ενέργειας. Είναι πλήρως βιοδιασπώμενα σε θαλάσσια και εδαφικά περιβάλλοντα. Η συνθετική βιολογία έχει επιτρέψει την παραγωγή σε ετερόλογους ξενιστές όπως η μαγιά, οι οποίοι είναι πιο εύκολο να καλλιεργηθούν και να θεριστούν. Εταιρείες όπως η Danimer Scientific και η CJ CheilJedang εμπορευματοποιούν την PHA για συσκευασία, καλαμάκια και επιχρίσματα. [[LFT:0]]Το Nodax της Danimer Scientific® είναι πιστοποιημένο βιοδιασπώμενο και χρησιμοποιείται από μεγάλες μάρκες.

Πολυγαλαξιακό οξύ (PLA) μέσω ζύμωσης βιομάζας

Η συνθετική βιολογία έχει βελτιώσει την αποδοτικότητα της παραγωγής γαλακτικού οξέος σε μικροοργανισμούς, μειώνοντας το κόστος και την ενέργεια. Πρόσφατες πρόοδοι επιτρέπουν την παραγωγή υψηλής οπτικής καθαρότητας L-γαλακτικό οξύ, το οποίο αποδίδει ισχυρότερη PLA. Μεταβολικοί μηχανικοί στο TotalEnergies Corbion έχουν επιτύχει αποδόσεις 95% ή καλύτερες σε βελτιστοποιημένα στελέχη μαγιάς.

Βιο-βασισμένο πολυαιθυλένιο και πολυεστέρες

Το συνθετικό βιολογικό χρησιμοποιείται πλέον για τη μηχανική μικροβίων που παράγουν αιθυλένιο απευθείας από σάκχαρα, παρακάμπτοντας το βήμα της αιθανόλης. Ομοίως, το βιοβασισμένο τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (bio-PET) κινείται προς τα εμπρός με τους κατασκευασμένους οργανισμούς που παράγουν τερεφθαλικό οξύ από βιομάζα. [[LAT:0]]Η LanzaTech χρησιμοποιεί τη ζύμωση αερίων για τη μετατροπή των βιομηχανικών εκπομπών άνθρακα σε αιθυλενογλυκόλη, ένα πρόδρομο PET.

Πλεονεκτήματα της συνθετικής βιολογίας ⁇ Driven Bio-Plastics

  • Ανανεώσιμες πρώτες ύλες: Χρησιμοποιεί γεωργικά απόβλητα, ζαχαροκάλαμο ή συλλέγεται CO2 αντί για ορυκτέλαιο.
  • Κάτω αποτύπωμα άνθρακα: Οι αξιολογήσεις κύκλου ζωής δείχνουν έως και 80% μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου σε σύγκριση με τα συμβατικά πλαστικά.
  • Βιοαποδομησιμότητα: Πολλά βιο-βασισμένα πλαστικά όπως το PHA είναι λιπασματικά σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις, ακόμη και σε οικιακά περιβάλλοντα.
  • Προσαρμοσμένες ιδιότητες: Με την προσαρμογή της μονομερούς σύνθεσης, η συνθετική βιολογία μπορεί να παράγει πλαστικά που είναι άκαμπτα, εύκαμπτα ή τεντωμένα ⁇ οραμένα για συγκεκριμένες εφαρμογές.
  • Γρήγορη επανάληψη: Η σύνθεση DNA και ο έλεγχος υψηλής απόδοσης επιταχύνουν την ανακάλυψη νέων πολυμερών παραλλαγών.

Για παράδειγμα, μια ομάδα από το MIT χρησιμοποίησε κατευθυνόμενη εξέλιξη για να δημιουργήσει ένα νέο συμπολυμερές PHA που είναι τόσο ισχυρό όσο και ελαστικό, ανοίγοντας χρήσεις σε ιατρικά ⁇ μματα και βιοδιασπώμενες ταινίες συσκευασίας.

Μελέτη περίπτωσης: Βιομηχανική-Σκόνη PHA Παραγωγή

Ένα από τα πιο προηγμένα προγράμματα συνθετικής βιολογίας για βιοπλαστικά είναι η παραγωγή PHA από εταιρείες όπως οι Newlight Technologies. Η διαδικασία τους χρησιμοποιεί βακτήρια που καταναλώνουν μεθάνιο σε συνδυασμό με συνθετικά γονιδιακά κυκλώματα για τη μετατροπή μεθανίου (ένα ισχυρό αέριο θερμοκηπίου) σε πολυμερή PHA. Το αποτέλεσμα είναι ένα αντιαρνητικό από άνθρακα πλαστικό. Σε συνεργασία με την ΙΚΕΑ, το Newlight αναπτύσσει βιοδιασπώμενα προϊόντα στο σπίτι. Ένα άλλο παράδειγμα είναι τα υλικά Mango, τα οποία χρησιμοποιούν μηχανικά μεθανοτρόφοι για την παραγωγή PHA από απόβλητα βιοαερίου.

Τα έργα αυτά καταδεικνύουν το δυναμικό κλιμακωσιμότητας όταν η συνθετική βιολογία συνδυάζεται με βιομηχανική ζύμωση.

Προκλήσεις και Λύσεις

Ανταγωνιστικότητα του κόστους

Η συνθετική βιολογία το αντιμετωπίζει αυτό βελτιώνοντας την απόδοση, τον τίτλο και την παραγωγικότητα. Για παράδειγμα, τα μηχανικά στελέχη για να ανεχθούν υψηλές συγκεντρώσεις προϊόντων μειώνουν το κόστος επεξεργασίας κατάντη. Οι μεταβολικές ροές μπορούν να βελτιστοποιηθούν χρησιμοποιώντας μοντέλα μάθησης μηχανών που προβλέπουν ενζυμικά σημεία συμφόρησης.

Βιώσιμη χρήση των ζωοτροφών

Η συνθετική βιολογία επιτρέπει τη χρήση λιγνοκυτταρινικής βιομάζας (γεωργικά υπολείμματα όπως σόμπας καλαμποκιού ή τσιπς ξύλου) από μικροβίες μηχανικής που διασπά την κυτταρίνη και την ημικυτταρίνη. Προηγμένα στελέχη Yarrowia lipolytica έχουν σχεδιαστεί για τη συν-χρησιμοποίηση της ξυλόζης και της γλυκόζης από υδρολύματα βιομάζας, επιτυγχάνοντας υψηλές αποδόσεις PHA χωρίς να ανταγωνίζονται με την παροχή τροφίμων.

Διαχείριση τέλους ζωής

Η συνθετική βιολογία μπορεί να ενσωματώσει ενζυματικές ετικέτες διάσπασης στη ραχοκοκαλιά του πολυμερούς, επιτρέποντας την εκρηκτική αποδόμηση. Εταιρείες όπως η Carbios χρησιμοποιούν μηχανοποιημένα ένζυμα για να αποπολυμερίσουν το PET και το PLA σε μονομερή για ανακύκλωση. [[LFT:0]]Η ενζυματική διαδικασία ανακύκλωσης του Carbios[[LFT:1] λειτουργεί επίσης σε συμβατικά PET, συνδέοντας τη συνθετική βιολογία με μια κυκλική πλαστική οικονομία.

Μελλοντική προοπτική: Προς μια κυκλική βιοοικονομία

Η συνθετική βιολογία έχει οριστεί να μετατρέψει τη βιομηχανία πλαστικών από γραμμική (take-make-waste) σε κυκλική. Μελλοντικές εξελίξεις περιλαμβάνουν:

  • Μικροβιακά Σχεδιαστής που παράγουν «αυτοθεραπευτικά» πλαστικά που μπορούν να επισκευάσουν ρωγμές χρησιμοποιώντας ενσωματωμένα συνθετικά κυκλώματα.
  • Ζώντα υλικά όπου τα βακτήρια παραμένουν στο τελικό προϊόν, παρέχοντας βιοαποικοδομησιμότητα κατόπιν ζήτησης.
  • Τεχνητή νοημοσύνη ⁇ κατευθυνόμενος σχεδιασμός νέων πολυμερών με ιδιότητες ίσες ή ανώτερες από πετροχημικά πλαστικά, όπως ιδιότητες φραγμού για συσκευασία τροφίμων.
  • Ένταξη με τεχνολογίες δέσμευσης άνθρακα: πρώτες ύλες από συλλεγόμενα CO[2 που μετατρέπονται σε βιο-πλαστικά μέσω μηχανικών κυανοβακτηρίων ή χημειολιθοαυτοτρόφων.

Η piολιτική στήριξη αυξάνεται εpiίση.Η Πράσινη Αγορά τη Ευρωpiαϊκή Ένωση και η Πρωτοβουλία Βιοοικονομία των ΗΠΑ χρηματοδοτούν την έρευνα για εναλλακτικές λύσεις piου βασίζονται στη βιοpiοικιλότητα.Η ζήτηση καταναλωτών για βιώσιε συσκευασίε οδηγεί τι αναλήψει υpiοχρεώσεων piου piορούν να piαράσχουν αυτά τα υλικά σε κλίμακα.

Συμπέρασμα

Η συνθετική βιολογία δεν είναι απλώς μια αυξητική βελτίωση ⁇ είναι μια αλλαγή παραδείγματος στον τρόπο παραγωγής πλαστικών. Με τον επαναπρογραμματισμό των μικροοργανισμών για την κατασκευή πολυμερών από ανανεώσιμες πηγές άνθρακα, μπορούμε να δημιουργήσουμε υλικά που είναι υψηλής απόδοσης, βιοδιασπώμενα, και ουδέτερου άνθρακα ή και αρνητικό. Η τεχνολογία έχει μετακινηθεί από την περιέργεια του εργαστηρίου στην πραγματική παγκόσμια εμπορική παραγωγή. Καθώς το κόστος συνεχίζει να μειώνεται και τα νέα τροφοδοτικά να γίνονται βιώσιμα, τα βιο-βασισμένα πλαστικά που τροφοδοτούνται από τη συνθετική βιολογία θα γίνουν ένα πρότυπο μέρος της παγκόσμιας αλυσίδας εφοδιασμού υλικών, βοηθώντας στην αποσύνδεση της παραγωγής πλαστικών από τους απολιθωμένους πόρους και μετριάζοντας την περιβαλλοντική κρίση της πλαστικής ρύπανσης.