קידום בביולוגיה סינתטית לשיפור החקלאות

מהפכת הירוקים החדשה

החקלאות עומדת על צומת דרכים.עם האוכלוסייה העולמית הצפויה לעלות על 9.7 מיליארד עד שנת 2050, הביקוש למזון, להאכיל וסיבים יגדל בכ-50% בהשוואה לרמות 2020, אך הקרקע החקלאית היא סופית, משאבי מים מתוחים, ושינוי האקלים מציג לחצים בלתי צפויים על ייצור היבול.

הביולוגיה הסינתטית מתמזגת בין הביולוגיה המולקולרית, הנדסה גנטית, ביולוגיה מערכות ועיצוב חישובי.בניגוד לשינויים גנטיים קלאסיים, שבדרך כלל מעבירה גנים אחד או שניים ממין קשור, ביולוגיה סינתטית יכולה לבנות מעגלים גנטיים חדשים לחלוטין, מסלולים ואפילו גנום סינתטי.יכולות זו מאפשרת לחוקרים לתכונות מהנדס שאינן נמצאות בטבע, כגון גידולים המייצרים את החנקן שלהם או צמחים כי ביוטכנולוגיה בעלת משקל, היא יעילה, היא גורם בטוח, תוך כדי להגביר את ההשפעה הסביבתית, תוך כדי שהיא מבטיחה, תוך כדי שהיא מבטיחה, באופן בטוח, תוך כדי שהיא הופכת את הפרודוקטיביות של חומרתית, תוך כדי שהיא מבטיחה, כאשר היא משפיעה על ידי כך, כאשר היא משפיעה על ידי כך שהיא מבטיחה, כמו גם על ידי כך, וכתוצאה מכך, וכתוצאה מכך, וכתוצאה מכך, כתוצאה מעצמה חקלאית, היא משפיעה על ידי פרודוקטיביות של חומרתית, כתוצאה מכך, כתוצאה מכך, היא משפיעה על ידי כך, באופן בטוח, כאשר היא משפיעה על ידי פרודוקטיביות סביבתית, כאשר היא משפיעה על ידי כך היא משפיעה על ידי כך, כאשר היא משפיעה על ידי כך היא משפיעה על ידי כך היא משפיעה על ידי כך היא משפיעה על ידי כך שהיא הופכת את הפרודוקטיביות סביבתית, כמו פרודוקטיביות סביבתית, כמו פרודוקטיביות,

מאמר זה בוחן את הפוטנציאל הנוכחי של ביולוגיה סינתטית בחקלאות, בוחן טכנולוגיות מפתח, יישומי עולם אמת, יתרונות, אתגרים ושיקולים אתיים.הוא מתבסס על מחקר ודיווחים מארגונים כגון FLT:0 Food and Agriculture Organization (FAO)FLT:1 ו-FLT:2U.S מחלקת החקלאות (AUSD) LT:0 מזון וארגון החקלאות (FAO)FLT) , כדי לספק ראיות מבוססות על בסיס .

הבנת ביולוגיה סינתטית: עקרונות וכלים

בליבתה, ביולוגיה סינתטית שואפת להפוך את הביולוגיה לקלה יותר למהנדס.זה מושג באמצעות חלקים גנטיים סטנדרטיים (biobricks), מעגלים גנטיים צפויים, מחזורי למידה עיצוביים-עיצוביים של בנייה-עיצוביים שנלקחו מהנדסה.

• (FLT:0)DNA סינתזה והרכבה:FreaLT:1 Advances in Chemical DNA סינתזה מאפשר לחוקרים לבנות רצפי דנ"א ארוכים מאפס, המאפשרים יצירת גנים סינתטיים, אופיום וגנום שלם.
• (FLT:0)CRISPR-Cas9 ועורכי גנים אחרים:FLT:1 כלים אלה מספקים דיוק חסר תקדים לעריכה, שילוב או מחיקת גנים ביבולים ובמיקרואורגניזמים, לעתים קרובות מבלי לעזוב DNA זר מאחור.
• (FLT:0) הנדסת מיטיבולי: FLT:1hil על ידי rewiring מטבוליזם סלולרי, מדענים יכולים להגביר את הייצור של תרכובות יקרות ערך (למשל, ויטמינים, טעמים, דלקים ביולוגיים) ישירות בצמחים או ב- ⁇ מיקרוביאלי המשמש כביופריפטים.
• (FLT:0) ניהול האבולוציה: טכניקות 1FLT אשר מחקות ברירה טבעית במעבדה מאפשרות שיפור מהיר של אנזימים, מקדםים ורכיבים ביולוגיים אחרים.

יישום הכלים הללו בחקלאות ניתן לסווג לשני תחומים רחבים:0enhancing PerformancesFLT:1 (באמצעות שינוי גנטי של הצמח עצמו) ו-FLT:2engineeringing חקלאיים microbiomesFLT 3: (על ידי תכנון חיידקים מועילים, פטריות או וירוסים עם יבולים).

יישומים מרכזיים של ביולוגיה סינתטית בחקלאות

ביולוגיה סינתטית כבר מופרסת על פני חזיתות מרובות.למטה אנו מפרטים את אזורי היישום המשמעותיים ביותר, ומספקים דוגמאות קונקרטיות והמדע הבסיסי.

1 - שיפור גנטי של Crops

היישום הגלוי ביותר הוא ההנדסה של יבולים עם תכונות משופרות.בעוד GMO המסורתית (אורגניזמים מהונדסים גנטית) כבר בשימוש במשך עשרות שנים, ביולוגיה סינתטית מאפשרת שינויים מתוחכמים הרבה יותר.לדוגמה, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה פיתחו זנים אורז שיכולים לתקן את החנקן שלהם על ידי שילוב של גן חנקן חיידקי, צמצום הצורך של דשנים סינתטיים עד 50%, על פי מחקר שנערך בשנת 2018-Fallyd, כמו דגים מחסנים מגנטיים 3.

הישג בולט נוסף הוא יצירתם של היברידיות בעלות סובלנות באמצעות מקדם סינתטי המפעיל גנים עמידים בלחץ רק בתנאים למניעת מים. ניסויים בשטח ברחבי אפריקה שמדרום לסהרה הראו עלייה של 20-30% מתחת לבצורת מתונה, על פי נתונים מ-FLT:0 אפריקאית Agricultural Foundation (AATF) .FLT:1 דוגמאות סינתטיות אלה ממחישות כיצד ביולוגיה יכולה לכוון מטרות ספציפיות עם אפקטים מטבוליים על צמיחה לא מטבולית ואפקטים.

2. Biofertilizers ו Soil Microbiome Engineering

(הדישנים הכימיים הם מקור עיקרי של פליטות גזי חממה חקלאית וזיהום מים.ביולוגיה סינתטית מציעה חלופות באמצעות מיקרואורגניזמים מהונדסים כי לתקן חנקן אטמוספירי, לייצר הורמונים מתקדמים, או להגן על שורשים מפני פתוגנים.

מעבר למיקרובים בודדים, ביולוגיה סינתטית מאפשרת עיצוב של קונסורציונאליות סינתטית - קומונות של מינים מרובים שעובדים סינרגיסט באופן סינרגי.לדוגמה, צוות ב-MIT הנדסס קונסורציום של שני חיידקים: אחד שמתקן חנקן ועוד המייצר מולקולה של אות לסינון חנקן עם צמחייה.

ביופטיסטים וסוכני בקרה

(הביולוגיה הסינתטית היא מהפכה בניהול מזיקים על ידי מתן עיצוב של ביופסטיות ספציפיות מאוד, ביו-דמדן חומרים כימיים מסורתיים לעתים קרובות להרוג חרקים מועילים, ויכולה להימשך בסביבה.מהנדסת ביופלסטיסטים מציעים אלטרנטיבה ממוקדת. לדוגמה, החוקרים תכננו במהירות את ההשפעות של חומרים כימיים:0Bacillus thuratingration 1FLT 1 (Bt) המיוצרים על ידי חלבון מתכתי ו-Cry) עם התפתחות שונה.

עוד גבול מרגש הוא התפתחות של הפרעות RNA (RNAi) מבוסס חומרי הדברה.על ידי צמחים הנדסיים או מיקרובים לייצר RNA כפול מעוגל כי להשתיק גנים חיוניים במזיקים מטרה, מדענים יוצרים שיטת בקרה סלקטיבית מאוד. לדוגמה, Monsanto (כיום חלק של Bayer) פיתחה מגוון תירס כי מבטא RNAi מיקוד שורש התירס המערבי, מזיקים זה המוצר, אשר יכול להוכיח את האורגניזמים הלא מזיקים כדי ליצור את האורגניזמים שלהם.

ביקורת: Climate-Adaptive Crops

שינוי האקלים מגביר את תדירות אירועי מזג אוויר קיצוניים - משקעים, שיטפונות, גלי חום, וחילול הקרקע. ביולוגיה סינתטית מציעה כלים מהנדסי יבול שיכולים לעמוד בלחצים האלה ביעילות רבה יותר מאשר זנים קונבנציונליים.לדוגמה, גורם המתעתק DREB1A מ-FLT:0 ArabidopsisalianaFLT:1 שימש כדי להפעיל סוויטות של בצורת גנים תגובתיים, כגון LT2, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

סובלנות מלח היא עוד אזור פעיל.A צוות בסין הציג לאחרונה גן סופרן סינתטי / הידרוגן אנטיפורטר מ שמרים לתוך אורז, המאפשר את הצמחים לזרע נתרן ions לתוך vacuoles. ניסויים שדה על קרקעות מלוחות (EC -8 dS / m) הראה שיפור של 30% בהשוואה לבדיקות לא טרנספורמטיביות.

יתרונות והשפעות: Productivity, Sustainability, כלכלה, וחוסנות

השילוב של ביולוגיה סינתטית לחקלאות הוא לא רק סקרנות מדעית; הוא מספק יתרונות מוחשיים על פני ממדים מרובים.כאן אנו שוברים את היתרונות המרכזיים הנתמכות על ידי מחקרים נתונים ומקרה.

הגדלת Productivity

הרווחיות של Yield הן היתרון הישיר ביותר.ביולוגיה סינתטית יכולה להגדיל את היעילות הפוטוסינתזה של יבולים, למשל על ידי הנדסה רובסקו יעילה יותר או על ידי הוספת מסלולים סינתטיים כי לעקוף photorespiration - תהליך בזבוז שיכול להפחית תשואה על ידי 20 עד 50% ביבולים כמו אורז וחיטה. A 2019 נייר ב FLT:0mas ScienceFLT:1 תיאר את ההקדמה של פיראטיות ב ספוגים תחת פיקוח על פני 40 אחוזים.

אחריות סביבתית

הביולוגיה הסינתטית מפחיתה את טביעת הרגל הסביבתית של החקלאות.הצבת דשנים חנקן כימי עם biofertilizers יכול לחתוך פליטות תחמוצת חמצני (גז חממה חזק) על ידי עד 70%, לחסל את ההפוגה הניטרית שגורמת לקונטרופיה ב-Viclesways.Biopesticides כי הם למניעת נזק חד צדדי למפצלי מזון, אויבים טבעיים, ומהנדסי-תזונה משופרים (במיוחד).

היתרונות הכלכליים של החקלאים

החקלאים עומדים להרוויח באופן משמעותי מהמוצרים היגמנליים של הביולוגיה הסינטטית-הפחתת עלויות קלט - ללא דיפרון, פחות חומרי הדברה, שימוש במים נמוכים יותר - באופן ישיר לשפר את שולי הרווח.התשואות גבוהות בתנאי הלחץ מספקים bu נגד תנודתיות האקלים.לדוגמה, היברידיות של בצורת-תזונה חייבת להוסיף 100-150 דונם בשווי של חקלאים באזורים סינטטיים, על פי טכנולוגיות כימיות וספקות יותר, אשר יכולות להיות מושפעות, במיוחד עבור חקלאים חדשים, אשר יהיו בעלי מניות.

עמידות לשינוי האקלים

בעוד שתבניות מזג האוויר הופכות יותר לא נכונות, היבולים המונדסים לסובלנות ללחץ מספקים רשת בטיחותית לאבטחת המזון העולמית. חיטה סובלנית, אורז סובלני, ותזונה דמוית-תזונה אינם היפותטיים – הם מפוטרים ומתועים. לדוגמה, "אורזת השמש הקסומה" (Sub1A) התפתחה באמצעות גידול מתמשך כבר חוסך מיליוני חשיפות מצפות מפני נזקי שיטפונות בכל שנה, כמו פיתוח גנטי מתמשך, שבו אין צורך בצמיחה קריטית של התפתחות טכנולוגית.

אתגרים ושיקולים אתיים

למרות הבטחתו, ביולוגיה סינתטית בחקלאות מתמודדת עם מכשולים משמעותיים - טכניים, רגולטוריים וחברתיים.

המונחים:

הרגולציה של אורגניזמים מהונדסים גנטית (GMOs) משתנה באופן נרחב על פני תחומי שיפוט בארצות הברית, ה- USDA, ה- FDA, ו-EPA שיתוף פיקוח, עם דגש על המוצר ולא על התהליך. באיחוד האירופי, תקנות מחמירות המסווגות את כל האורגניזמים שמשתנים באמצעות ביוטכנולוגיה מודרנית כמו GMO, תוך הבטחת הערכות סיכון ארוכות ודרישות תווית של ביולוגיה הרמונית מייצרת לעתים קרובות גידולים שנרדמים לאזור רגולטורי - לדוגמה, ללא צורך ב- DNA (DF) באופן שונה, ללא צורך ב- HIV.

קבלה ותקשורת

הספקנות הציבורית לגבי הנדסה גנטית, במיוחד באירופה ובחלקים באסיה, נובעת מדאגות לגבי בריאות, בטיחות סביבתית, ובקרת תאגידית של מערכות מזון. Misאינפורמציה וחוסר תקשורת שקופה ישרדו אמון.עבור ביולוגיה סינתטית לקבל קבלה, בעלי העניין חייבים לעסוק בדיאלוג פתוח, להקשיב לערכים הציבוריים, ולהדגיש את היתרונות קונקרטיים יותר (למשל, שימוש מופחת בחומרי-החומרי-החומרה) תוך התייחסות לסיכונית סיכונים שקופה, לחוויות מעורבות עצמאיות, וחוויות של פעילות גופנית, הן לעתים קרובות יותר, תמיכה עצמאיות יותר, תמיכה, וחוויות מעורבות, מעורבות, מעורבות עצמאיות יותר, במקום זאת, תמיכה, וחוויות מעורבות, במקום זאת, הן יעילות יותר, במקום זאת, הן בעלות השפעה יעילה יותר, הן בעלות השפעה על ידי מדענים, וחוויות מעורבות, ופעולות עצמאיות יותר, וחוויות תקשורת, במקום זאת, וחוויות מעורבות, הן בעלות השפעה על ידי קבוצות תקשורת, במקום זאת, וחוויות מעורבות, במקום זאת, תמיכה יעילה יותר, וחוויות מעורבות, הן בעלות השפעה יעילה יותר, וחוויות מעורבות, הן בעלות השפעה יעילה יותר, במקום זאת, הן בעלות השפעה משותפת של קבוצות מעורבות, במקום זאת, במקום זאת, הן, הן בעלות השפעה משותפת של קבוצות מעורבות עצמאיות יותר, במקום

סיכונים סביבתיים ובטיחות

סיכונים פוטנציאליים כוללים זרימת גנים בלתי פוסקת אל קרובי משפחה פראיים, הפרעה של אוכלוסיות חרקים מועילות, ואבולוציה של התנגדות במזיקים או עשבים. ביולוגיה סינתטית מציגה שיקולים נוספים: דחפים גנטיים סינתטיים, למשל, יכולים להפיץ תכונות מונדסות במהירות באמצעות אוכלוסיות, העלאת חששות אקולוגיים.

מידות אתיות: גישה, הון ומגוון ביולוגי

מי מרוויח מביולוגיה סינתטית? אם פרוס רק על ידי אגריאקים גדולים, חקלאים בעלי חיים קטנים במדינות מתפתחות יכול להישאר מאחור. זכויות קניין רוחני עלול לנעול תכונות חיוניות מאחורי פטנטים, מה שהופך אותם בלתי ניתנים להשגה עבור חקלאים בעלי משאבים-אפ.יש גם חששות לגבי המגוון הביולוגי: אימוץ נרחב של כמה זנים מהונדסים יכול לגוון גנטי, מה שהופך את מערכת המזון הסינטטי לפגיעות יותר למחלות חדשות או ביוטכנולוגיה, כמו אלה שאינם בעלי ערך מסחרי, כמו בנקים.

חדשנות אחראית

כדי לנווט את האתגרים הללו, הרעיון של מחקר וחדשנות אחראי (RRI) אומץ על ידי קרנות מחקר רבות, כולל הנציבות האירופית.RRI מדגיש ציפייה להשפעות, הכללה של בעלי עניין שונים, רפלקסיביות לגבי הנחות, והיענות לצרכים חברתיים. החלת RRI לביולוגיה סינתטית מעורבת חקלאים, צרכנים, ארגונים סביבתיים, והרגולטורים בשלבים המוקדמים של פיתוח המוצר.

תחזית לעתיד: הגבול הבא

המסלול של ביולוגיה סינתטית בחקלאות מצביע על מטרות שאפתניות יותר.כאן כמה גבולות מתעוררים שיכולים לעצב מחדש את התעשייה בעשור הבא.

גנומים סינתטיים ותאים מינימאליים

בהתבסס על יצירת התא הסינטטי הראשון על ידי המכון J. Craig Venter, החוקרים מעצבים כעת שבבים זעירים אופטימיזציה עבור תפקידים חקלאיים ספציפיים.לדוגמה, חיידק מינימלי יכול להיות מתוכנן במיוחד לחיות על שורשים ולתקן חנקן ביעילות ללא כל עומס מטבולי. גישה זו "chassis" מפחיתה את הסיכון של מוטציות לא מכוונות ומאפשרת הנדסה סינתטית עבור כרומוזומים רחוק כמו כרומוזום צמחי (Rysterreme) בסופו של כרומוזום מחדש של כרומוזום (Remite) אבל בסופו של כרומוזום כרומוזום אמיתי) בסופו של כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום (R) בסופו של כרומוזום כרומוזום מחדש כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום כרומוזום (R) בסופו של כרומוזום ⁇ כרומוזום מחדש של כרומוזום מחדש כרומוזום כרומוזום (R.

Plant-Microbe Symbiosis Engineering

במקום הנדסה היבול עצמו, כמה חוקרים שואפים לשפר את הסימביוס הטבעי בין צמחים ומיקרובים קרקעיים.לדוגמה, הנדסה מסלולים אות המאפשרים לקטינים ליצור נוודים חנקן יכול להיות מועבר לדגנים. פריצת דרך בשנת 2019 הראה כי דלקת inoculation עם rhizobium מותאם גנטית יכול לגרום מבנים דמויי לאול על שורשים, אם כי אלה אינם מאפשרים חנקן יעיל של רשתות חנקן בקרוב.

התפתחות מבוססת CRISPR בשדה

חידושים אחרונים מאפשרים אבולוציה מכוונת מתמשכת של תכונות בתוך צמחים או מיקרובים באמצעות מערכות CRISPR מבוזרת וירוס-מסופק.זה יכול לאפשר ליבולים להסתגל ללחץי מזיקים מקומיים או שינוי תנאי הקרקע בזמן אמת, ללא צורך הרבייה המסורתית או הנדסה מחדש. בעוד עדיין ניסיוני, גישה זו עלולה להוביל "יבולים חיים" אשר מתפתחים עמידות רצויה על פני עונת גידול.

עיצוב נתונים-Driven

למידת מכונה משולבת במחזור העיצוב הביולוגיה הסינטטי.מודלים יכולים לחזות את הביצועים של מבנים גנטיים, פלוקסים מטבוליים ותבניות ביטוי, באופן דרמטי להפחית את מספר ההאקרים הניסוייים הדרושים. חברות כמו Benson Hill להשתמש בפלטפורמות ביולוגיה בענן המשלבות אסטרוגן עם עיצוב חישובי זיהוי מטרות גנטיות אופטימליות לשיפור. גישה זו מבוססת נתונים תאיץ את הפיתוח של תכונות חדשות ולהפחית, מהפיכת עלויות ביולוגיה נגישות לאזורים רחבים.

מסקנה: A Balanced Path Forward

קידום בביולוגיה סינתטית מציע כלים חזקים להתמודד עם האתגרים הקשורים של אבטחת המזון, קיימות סביבתית והסתגלות לאקלים.מ-תיקון מיקרובים וביופלסטינים ממוקדים ליבולים סובלניים וקונסוררציה סינתטית, הטכנולוגיה נעה מהבטחה לתרגל.אך מימוש הפוטנציאל המלא שלה דורש יותר מאשר פריצות דרך מדעיות - הוא דורש רגולציה מתחשבת, בדיאלוג, סודיות, ומחויבות לשוויון.

על ידי טיפוח שיתוף פעולה בין חוקרים, חקלאים, קובעי מדיניות והחברה האזרחית, המגזר החקלאי יכול לרתום ביולוגיה סינתטית כדי לבנות מערכת מזון יעילה יותר בת קיימא.העתיד אינו נקבע מראש: כמו בכל טכנולוגיה טרנספורמטיבית, התוצאות יהיו תלויים בהחלטות שאנו מקבלים כיום. [+] החידושים אחראים, מונחה על ידי ראיות ועיצב על ידי ערכים ציבוריים, יכול להבטיח כי ביולוגיה סינתטית משרתת לא רק את השורה התחתונה, אלא גם את הטוב.