Mikä on synteettinen biologia ja miksi se on olennainen muovit?

Synteettinen biologia on monitieteinen ala, joka soveltaa biologian teknisiä periaatteita. Se sisältää eliöiden uudelleensuunnittelun hyödyllisiin tarkoituksiin manipuloimalla niitä uusiin kykyihin. Tutkijat voivat kirjoittaa uuden geneettisen koodin .Much like writing software.Tietoa mikrobeista voidaan valmistaa kemikaaleja, polttoaineita ja materiaaleja, jotka on saatu kerran fossiilisista resursseista. Muovin yhteydessä synteettinen biologia mahdollistaa mikro-organismien ohjelmoinnin suoraan uusiutuvista raaka-aineista, kuten maissisokerista, sokeriruo'osta tai jopa hiilidioksidista.

Ydintyökalupakettiin kuuluu DNA-synteesi, geenien editointi (erityisesti CRISPR-Cas9) ja aineenvaihduntareittien suunnittelu. Kokoamalla uusia geeniyhdistelmiä tutkijat voivat luoda solutehtaita, jotka kirnuilevat tarkasti ja tarkasti korkea-arvoisia yhdisteitä. Tämä avaa oven sellaisten biopohjaisten muovien tuottamiseen, jotka ovat sekä toiminnallisesti kilpailukykyisiä petrokemian muovien kanssa että aidosti kestäviä.

Esimerkiksi a 2021-tutkimus Luonnonbiotekniikka[[]] on osoitettu valmistetuksi E-koli [], joka tuotti polyhydroksialkanoaatteja (PHA) kaupallisiin mittasuhteisiin soveltuvissa tuotoksessa. Tällaiset läpimurrot nopeuttavat biopohjaisten muovien aikajanaa markkinoille.

Synteettinen biologia tekniikoita ajo Bio-Based muovi kehitys

Metabolinen tietekniikka

Tiedemiehet suunnittelevat uusia polkuja organismeissa, kuten []E. coli[, hiiva, tai syanobakteeri muuntaa yksinkertaisia sokereita polymeerin esiasteiksi. Polyhydroksialkanoaattien (PHA) reitti sisältää entsyymejä, jotka polymeroivat hydroksiasyyli-CoA monomeerejä solun sisällä. Hienosäätöentsyymin ilmentymän ja estämällä kilpailevia reittejä, tutkijat voivat työntää hiilivirtaa kohti polymeerin kertymistä, joskus saavuttaa yli 80% solun kuivapaino PHA.

Samanlaista lähestymistapaa käytetään polymaitohapon (PLA) kanssa, vaikka PLA valmistetaan tyypillisesti maitohappokäymisen kautta ja sen jälkeen kemiallisen polymeroinnin avulla. Synteettinen biologia mahdollistaa nyt laktidin, maitohappoa sisältävän syklinen dimeerin, joka voidaan polymeroida ilman erillisiä kemiallisia vaiheita. Genomatica], teollisuusbiotekniikan johtava, on edelläkävijä tällaisissa kuljetuksissa, joita käytetään nailon- ja polyesterinvaihdoissa biopohjaisten monomeerien valmistuksessa.

CRISPR- ja Genome-muokkaus

CRISPR-Cas9 on lyhentänyt merkittävästi suunnittelu-rakentamis-testi-oppimissykliä. Jos perinteinen geenitekniikka vei kuukausia muuttaakseen yhtä geeniä, CRISPR voi tehdä useita muutoksia viikossa. Tämä mahdollistaa nopean synteettisten reittien prototyypin. Esimerkiksi Kalifornian yliopiston tiimit ovat käyttäneet CRISPR:ää insinöörinä []Pseudomonas putida tuottaakseen keskiketjuisia PHA:ita, joilla on räätälöityjä mekaanisia ominaisuuksia. Esimerkiksi joustavat elokuvat ovat käyttäneet CRISPR:ää jäykkään termoplastiin.

Soluttomat järjestelmät

Kehittyvä lähestymistapa on soluton synteettinen biologia, jossa entsyymicocktaileja kootaan in vitro tuottamaan polymeerit elävien solujen ulkopuolella. Tämä välttää kysymyksiä myrkyllisyyttä ja metabolista rasitusta. Startups kuten []EnginZyme[] kehittää soluttomia alustoja skaalautuvaan biomuovin tuotantoon, joka voi toimia jatkuvasti, leikkaamalla kustannuksia ja energian käyttöä.

Avain Bio-Based Muovit Käytössä synteettisen biologian

Polyhydroksialkanoaatit (PHA)

PHA-aineet ovat bakteereista peräisin olevia polyestereitä, jotka ovat täysin biohajoavia meri- ja maaperäympäristöissä. Synteettinen biologia on mahdollistanut tuotannon heterologisissa isännöissä, kuten hiivassa, jotka ovat helpompi viljellä ja korjata. Yritykset kuten Danimer Scientific ja CJ CheilJedang ovat kaupallistamassa PHA:ta pakkauksiin, olkiin ja pinnoitteisiin. [Danimer Scientific.

Polymaitohappo (PLA) biomassan fermentaation kautta

PLA on tällä hetkellä yleisin biopohjainen muovi, valmistettu käymisen kasvi sokereita. Synteettinen biologia on parantanut tehokkuutta maitohappotuotannon mikro-organismien, vähentää kustannuksia ja energiaa. Viimeaikainen kehitys mahdollistaa tuotannon korkean optisen puhtaan L-maitohapon, joka tuottaa vahvempi PLA. Metaboliset insinöörit TotalEnergises Corbion ovat saavuttaneet sato 95 prosenttia tai parempi optimoitu hiivakannat.

Biopolyeteeni ja polyesterit

Perinteistä polyeteeniä voidaan valmistaa bioetanolista (maissista tai sokeriruo'osta) nestehukasta etyleeniin. Synteettistä biologiaa käytetään nyt viljelemään mikrobeja, jotka tuottavat etyleeniä suoraan sokereista, ohittaen etanolin vaiheen. Samoin biopohjainen polyeteenitereftalaatti (bio-PET) etenee sellaisten organismien kanssa, jotka tuottavat tereftaalihappoa biomassasta. []LanzaTech käyttää kaasufermentaatiota muuntaakseen teollisuuden hiilipäästöt etyleeniglykoliksi, PET-prekursoriksi.

Synteettisen biologian edut.........................................................................................................................................................................................................................................................

  • ]Uusittavat raaka-aineet:[ Käyttää maatalousjätettä, sokeriruokoa tai talteen otettua CO2 fossiilisten öljyjen sijasta.
  • Heikkohiilijalanjälki:[ Elinkaariarvioinneissa kasvihuonekaasupäästöt ovat jopa 80 prosenttia pienemmät kuin perinteisissä muovimateriaaleissa.
  • Biohajoavuus:[ Monet biopohjaiset muovit, kuten PHA, kompostoivat teollisuuslaitoksissa ja jopa kotiympäristöissä.
  • Muokkattavat ominaisuudet:[ Synteettinen biologia voi tuottaa monomeerikoostumusta säätämällä muovit, jotka ovat jäykkiä, joustavia tai venytettävissä tiettyihin tarkoituksiin.
  • ]Nopea iterointi: [ DNA-synteesi ja korkea läpivientiseulonta nopeuttavat uusien polymeeriversioiden löytämistä.

Esimerkiksi MIT:n tiimi käytti ohjattua evoluutiota luodakseen uudenlaisen PHA-kopolymeerin, joka on sekä vahva että joustava, avaa lääketieteellisiä ompeleita ja biohajoavia pakkauskalvoja.

Tapaustutkimus: Teollisen PHA-tuotannon skaalautuminen

Yksi edistyneimmistä synteettisistä biomuoviprojekteista on PHA:n tuotanto yrityksissä, kuten Newlight Technologies. Niiden prosessi käyttää metaania kuluttavia bakteereja yhdistettynä synteettisiin geenipiireihin muuntaakseen metaanin (voimakas kasvihuonekaasu) PHA-polymeereiksi. Tuloksena on hiilinegatiivinen muovi. Yhdessä IKEA:n kanssa Newlight kehittää biohajoavia kotituotteita. Toinen esimerkki on Mango Materials, joka käyttää suunniteltuja methanotrofien tuottamiseen jätekaasusta.

Nämä hankkeet osoittavat skaalautuvuuspotentiaalin, kun synteettinen biologia yhdistetään teolliseen käymiseen. Pilottilaitokset ovat nyt toiminnassa ja ensimmäiset kaupalliset tuotteet ovat pääsemässä hyllyille.

Haasteet ja ratkaisut

Kustannuskilpailukyky

Biopohjaiset muovit maksavat tällä hetkellä 2.03 kertaa enemmän kuin öljypohjaiset vastineet. Synteettinen biologia käsittelee tätä parantamalla tuottoa, titteriä ja tuottavuutta. Esimerkiksi tekniset kannat sietää suuria tuotepitoisuuksia vähentää jatkokäsittelyn kustannuksia. Metaboliset virtaukset voidaan optimoida käyttämällä koneoppimismalleja, jotka ennustavat entsyymin pullonkauloja.

Rehuvaraston kestävyys

Syöminen ruokakasveissa (maissi, sokeriruoko) herättää huolta maankäytöstä. Synteettinen biologia mahdollistaa lignocellelulosisen biomassan (maatalousjäämiä, kuten maissia tai puulastuja) käytön kehittämällä mikrobeja, jotka hajottavat selluloosaa ja hemiselluloosaa. []:n Yarrowia lipolyyttisen kannan avulla on kehitetty ksyloosia ja glukoosia biomassahydrolysaattien avulla, ja näin saavutetaan korkea PHA-sato ilman että kilpailevat ruoan kanssa.

Biologisen loppukäsittelyn

Kaikki biopohjaiset muovit eivät ole biohajoavia. Synteettinen biologia voi sisällyttää entsymaattiset hajoamistagit polymeerin selkärangan, mikä mahdollistaa käynnistyneen hajoamisen. Yritykset kuten Carbios käyttää muokattuja entsyymejä depolymeroida PET ja PLA monomeerit kierrätykseen. [Carbios. Entsymaattiset kierrätysprosessi[] toimii perinteisen PET:n sekä kytkemällä synteettisen biologian kiertomuovin talouteen.

Tulevaisuuden näkymät: kohti kiertotaloutta

Synteettinen biologia on tarkoitus muuttaa muoviteollisuus lineaarisesta (take-make-jäte) kiertokirje. Tuleva kehitys sisältää:

  • Suunnittelija mikrobit, jotka tuottavat itse parantavia muovit, jotka voivat korjata halkeamia sulautettuja synteettisiä piirejä.
  • Elävät materiaalit, joissa bakteerit pysyvät lopputuotteessa ja jotka tarjoavat biologiselle hajoavuudelle tarpeen mukaan.
  • Tekoäly. Opastettu suunnittelu uusia polymeerejä, joiden ominaisuudet ovat yhtä tai parempia petrokemian muovit, kuten este ominaisuuksia elintarvikepakkausten.
  • Integrointi hiilidioksidin talteenottoteknologioihin: talteenotetuista CO2 -raaka-aineista peräisin olevat raaka-aineet, jotka on muunnettu biomuoviksi muunnellun syanobakteerin tai kemolitoautotrofien avulla.

Euroopan unioni on mukana kehittämässä biologisia ratkaisuja, jotka ovat erittäin tärkeitä ja jotka ovat erittäin tärkeitä.

Päätelmät

Synteettinen biologia ei ole vain asteittainen parannus.Se on paradigman muutos siinä, miten tuotamme muoveja. Ohjelmoimalla mikro-organismit uudelleen polymeerien rakentamiseksi uusiutuvasta hiilestä, voimme luoda materiaaleja, jotka ovat hyvin tuottavia, biohajoavia ja hiilineutraalia tai jopa negatiivisia. Teknologia on siirtynyt laboratoriosta uteliaisuuteen todelliseen kaupalliseen tuotantoon. Kun kustannukset laskevat ja uudet raaka-aineet muuttuvat elinkelpoisiksi, biopohjaisista muovisista materiaaleista, jotka toimivat synteettisen biologian avulla, tulee standardiosa globaalia materiaalien toimitusketjua, joka auttaa erottamaan muovin tuotannon fossiilisista resursseista ja lievittämään muovien saastumista.