מה זה ביולוגיה סינתטית ולמה זה משנה עבור פלסטיק?

ביולוגיה סינתטית היא תחום בין-תחומי החל עקרונות הנדסיים לביולוגיה.זה כרוך בעיצוב מחדש של אורגניזמים למטרות מועילות על ידי הנדסה אותם יש יכולות חדשות.חוקרים יכולים לכתוב קוד גנטי חדש - כמו תוכנת כתיבה - כדי להפוך מיקרובים לייצר כימיקלים, דלקים וחומרים אשר נגזרו פעם ממשאבים מאובנים. בהקשר של פלסטיק, ביולוגיה סינתטית מאפשרת לתכנן מיקרואורגניזמים לסנתונים לפולימרים ישירות מסוכרים מתחדשים, אפילו כמו סוכר פחמן דו-חמצני, או פחמן.

ערכת הכלים הליבה כוללת סינתזה DNA, עריכת גנים (במיוחד CRISPR-Cas9), והנדסת מסלול מטבולית.על ידי שילובים חדשים של גנים, מדענים יכולים ליצור מפעלים סלולריים אשר נצפים תרכובות בעלות ערך גבוה עם דיוק.זה פותח את הדלת לייצור פלסטיק מבוסס ביולוגית כי הם גם תחרותית עם פלסטיק זעירים באמת ובת קיימא.

לדוגמה, מחקר שנערך בשנת 2021 בשנת 2021 ב-FLT:1 Nature (ביוטכנולוגיה:2IRLT 3: 3) הראה מחקר מהונדס FLT:4E. coliph:5 אשר הפיק פוליhydroxyalkanoates (PHAs) בתשואות המתאימות בקנה מידה מסחרי.

טכניקות ביולוגיה סינתטיות נהיגה בפיתוח פלסטי מבוסס

הנדסת Pathway

הנדסה מטאבולית היא הבסיס.מדענים מעצבים מסלולים חדשים באורגניזמים כמו FLT:0E. coliveFLT:1, שמרים, או cyanobacteria להמיר סוכרים פשוטים לתוך מבשרי פולימרים.עבור פולי הידרו-קלקנאוט (PHAs), המסלולים כרוך כי פולימרנים הידרוקסיביים-קומר בתוך התא על ידי אנזימים דקים ולעתים קרובות יכול להשיג אטומיים של פחמן אטומיים, כדי להשיג אטומיים של פחמן אטומיים, לפעמים, כמו אטומים מתחרות על פני אנזימים של פחמן אטומיים.

גישה דומה משמשת חומצה פולילאקטית (PLA), אם כי PLA מיוצר בדרך כלל באמצעות תסיסה של חומצה לקטית ואחריו פולימריזציה כימית. ביולוגיה סינתטית עכשיו מאפשרת ייצור ביולוגי ישיר של לקטד, הדימר המחזורי של חומצה לקטקטית, אשר ניתן פולימר ללא צעדים כימיים נפרדים.FLT:0GenomaticaFLT:1, מנהיג בביוטכנולוגיה תעשייתית, יש כזה עבור מסלולים מונומטרוניים בשימוש על ידי פולימרים.

CRISPR ו- Genome Editing

CRISPR-Cas9 מקוצר באופן דרמטי את מחזור הלמידה של עיצוב-Build-test-learn. שבו הנדסה גנטית מסורתית לקח חודשים לשנות גן יחיד, CRISPR יכול לעשות מספר רב של עורכים בשבוע.זה מאפשר הדבקה מהירה של מסלולים סינתטיים.לדוגמה, קבוצות באוניברסיטת קליפורניה השתמשו CRISPR כדי מהנדס FLT:0Pseudosida לשים LTird לייצר תכונות מכניות-Fâxic.

מערכות חופשיות תאים

גישה מתפתחת היא ביולוגיה סינתטית ללא תאים, שבו קוקטיילים אנזים מקובצים ב vitro כדי לייצר פולימרים מחוץ לתאי חיים.זה נמנע מבעיות של רעילות ונטל מטבולי.סטארטאפים כמו FLT:0EnginZymeFLT 1 מפתחים פלטפורמות ללא תאים לייצור ביופלסטי ברקלאבי שיכול לפעול באופן רציף, חיתוך עלויות ושימוש באנרגיה.

פלסטיק מבוסס על bio-baseds Enabled על ידי Synthetic Biology

Polyhydroxyalkanoates (PHA)

(ה) הם פוליסטרים המיוצרים על ידי חיידקים כמחסן אנרגיה.הם בעלי יכולת ביולוגית מלאה בסביבות ימי וקרקע. ביולוגיה סינתטית אפשרה ייצור במארחים היטרולוגיים כמו שמרים, אשר קלים יותר לטפח וקציר. חברות כגון Danimer Scientific ו- CJ CheilJ CheilJedang הם מסחרי מוסמך PHA עבור אריזה, קשים, וציפויים.

Polylactic Acid (PLA) באמצעות Biomass Fermentation

PLA הוא כיום הפלסטיק הנפוץ ביותר מבוסס ביולוגית, המיוצר מסוכרים צמחיים מותס. ביולוגיה סינתטית שיפרה את היעילות של ייצור חומצה קדחת קדחת קדחתנית במיקרואורגניזמים, צמצום עלויות ואנרגיה. ההתקדמות האחרונה מאפשרת ייצור של חומצה אולטרה אופטית גבוהה L-lactic, אשר מניבה מהנדסי PLA חזקים יותר ב-PLA. Metabolic ב TotalEnergies Corbion השיגו של 95% או אופטימיזציה טובה יותר בזנים.

פוליאתילן ופוליסטרים המבוססים על Bio-based Polyethylene and Polyesters

(בלטינית: פוליאתילן מסורתי ניתן לעשות מביולוגיה ביו-תנמול (המול מהתר תירס או סוכרקני) באמצעות התייבשות ל- ethylenelene.Sthetic ביולוגיה משמשת כיום מהנדס microbes המייצרת את ethylenelin ישירות מסוכרים, עקיפה את הצעד ethanol באופן דומה, פוליאתילן מבוסס ביולוגית (P) מועברת עם מינרלים תעשייתיים מ-Fteollow לתוך פחמן:

היתרונות של ביולוגיה סינתטית-Driven Bio-Plastics

  • (ב) ,0) אכילה מחודשת: FLTIR 1 השתמש בבזבוז חקלאי, סוכרנות או נתפס COFLT:203FLT 3: במקום שמן מאובנים.
  • (FLT:0) טביעת רגל פחמן: 1FLT 1 הערכה מחזור חיים עולה עד 80% ירידה בפליטת גזי חממה בהשוואה לפלסטיקים קונבנציונליים.
  • (ב) ⁇ :0) ,Biodegradability:FLT:103) מפלסטיקים רבים המבוססים על ביולוגית כמו PHA הם מגובשים במתקנים תעשייתיים ואפילו סביבות בית.
  • (FLT:0) תכונות ניתנות להשגה:FLT:1 על ידי התאמת ההרכב מונומר, ביולוגיה סינתטית יכולה לייצר פלסטיק כי הם קשיחים, גמישים, או מתוחים - מופץ עבור יישומים ספציפיים.
  • (FLT:0) ⁇ Faster: FLT:1 סינתזה DNA ובדיקות גבוהות מאיצה את גילוי הגרסאות הפולימרים החדשות.

לדוגמה, צוות מ-MIT השתמש באבולוציה מכוונת כדי ליצור רומן PHA copolymer כי הוא חזק ואלסטי, פתיחת השימושים בפצעים רפואיים ובסרטי אריזה ביו-דידיים.

מחקר: ייצור תעשייתי-סקר PHA

אחד הפרויקטים האנתרופולוגיים המתקדמים ביותר עבור bio-plastics הוא הייצור של PHA על ידי חברות כמו Newlight Technologies.תהליך שלהם משתמש חיידקים מתאן-קונסמינג בשילוב עם מעגלים גנטיים סינתטיים להמיר מתאן (גז חממה חזק) לתוך פולימרים PHA.התוצאה היא פחמן-negative פלסטי. in השותפות עם IKEA, ניו אורלינס מפתחת מוצרים ביו-מבוגריים.

פרויקטים אלה מפגינים את הפוטנציאל הגדלה כאשר הביולוגיה הסינתטית משולבת עם תסיסה תעשייתית.מפעלי טייס הם כעת בפעולה, והמוצרים המסחריים הראשונים מגיעים למדפים.

אתגרים ופתרונות

תחרותיות

פלסטיק מבוסס ביולוגית עולה כיום 2-3 פעמים יותר מאשר עמיתים המבוססים על נפט. ביולוגיה סינתטית מטפל זה על ידי שיפור התשואות, titer ופרודוקטיביות. לדוגמה, מתחים הנדסיים לסבול ריכוזי מוצרים גבוהים להפחית את עלויות העיבוד של הזרם.

מזון ל-Sustainability

החלת יבולי מזון (corn, סוכרקני) מעלה חששות לשימוש הקרקע.ביולוגיה סינתטית מאפשרת שימוש ביומסה ליגנולוסית (שכונות חקלאיות כמו תנור תירס או שבבי עץ) על ידי מיקרובים הנדסיים המפרקים את צלולוז ואת hemicellulose זנים מתקדמים של FLT:0Yiria lipoticaFLT1 מתחרות אספקת גלוקוז גבוהה ו-xilly משיגה מ-xalmasulose.

ניהול חיים

לא כל הפלסטיק מבוסס ביולוגית הם ביו-דידנטיים ביולוגיה סינתטית יכול לשלב תגים התמוטטות אננזימטית לתוך עמוד השדרה פולימרי, המאפשרים השפלה מופעלת.חברות כמו Carbios להשתמש אנזימים מהונדסים כדי depolymerize PET ו PLA לתוך מונומרים עבור מחזור מחדש.FLT:0Carbios של תהליך מחזור אנזימים על ידי ביולוגיה מעגלית: 1 פועל על ידי ביולוגיה מעגלית, כמו גם על ידי ביולוגיה מעגלית.

תחזית עתיד: לקראת ביוקונומיה מעגלית

הביולוגיה הסינתטית צפויה להפוך את תעשיית הפלסטיק לינארית (לקחת-make-waste) לתחומים מעגליים.

  • מעצב microbes המייצרים פלסטיק "הההעצמי" שיכול לתקן סדקים באמצעות מעגלים סינתטיים משובצים.
  • חומרים חיים שבהם החיידק נשאר במוצר הסופי, ומספקים יכולת ביולוגית על הביקוש.
  • עיצוב בינה מלאכותית מונחה של פולימרים חדשים עם תכונות שוות או עליון על פלסטיק פטרוכימי, כגון תכונות מחסום עבור אריזה מזון.
  • אינטגרציה עם טכנולוגיות ללכוד פחמן: הזנות מ COFLT שנתפס:0rea2FLT:1 מומר לתוך bio-plastics באמצעות cyanobacteria ממונדס או chemolithoautotrophs.

התמיכה במדיניות גם גדלה.העסקה הירוקה של האיחוד האירופי ו-Bioeconomy Initiative Foundation מחקר קרן ב חלופות מבוססות-ביו-כלכלה. הביקוש לצרכנים לאריזות בת קיימא מניע התחייבויות קמעונאיות: עד 2030, מותגים גדולים רבים שואפים להפוך את כל האריזה למחזור, למחזור, למחזור, או להגדרה. ביולוגיה סינתטית היא המנוע שיכול לספק חומרים אלה בקנה מידה.

מסקנה

ביולוגיה סינתטית אינה רק שיפור מצטבר - היא שינוי פרדיגמטי כיצד אנו מייצרים פלסטיק.על ידי חידוש מיקרואורגניזמים לבנות פולימרים מפחמן מתחדש, אנו יכולים ליצור חומרים שהם בעלי ביצועים גבוהים, ביו-דידנטי, פחמן נייטרלי או אפילו שלילי.הטכנולוגיה עברה מסקרנות לייצור מסחרי אמיתי בעולם.