合成生物学とは、なぜプラスチックの重要なのか?

合成生物学は、工学的原則を生物学に適用する学際分野です。それは、新しい能力を持つためにそれらをエンジニアリングすることにより、有用な目的のために生物を再設計することを含みます。研究者は、マイクロビーズが化石資源から抽出された化学物質、燃料、および材料を生成するために、ソフトウェアを書くような、新しい遺伝的コードを書くことができます。プラスチックのコンテキストでは、合成生物学は、微生物をプログラムし、微生物を直接合成することを可能にします。このような砂糖、二酸化炭素、または二酸化炭素、二酸化炭素、または二酸化炭素などの植物を摂取する。

コアツールキットには、DNA合成、遺伝子編集(特にCRISPR-Cas9)、および代謝経路工学が含まれます。遺伝子の新規の組み合わせを組み立てることで、科学者は、高精度で高値化合物を焼くセルラーファクトリを作成することができます。これは、石油化学プラスチックと真に持続可能な機能的に競争しているバイオベースのプラスチックを製造するための扉を開きます。

例えば、【]2021年Nature Biotechnology]を実証したE. coli]]は、多ヒドロキシアルカノエート(PHAs)を生成し、商用スケールに適した。このようなブレークスルーは、バイオベースのプラスチックのタイムラインを市場に到達するために加速する。

合成生物学技術によるバイオベースのプラスチック開発

メタボリック・パスウェイ・エンジニアリング

メタボリックエンジニアリングは、基礎です。科学者たちは、]E. coli]]、酵母、またはシアノバクテリアなどの有機体の新しい経路をポリマープリカーに変える。 ポリヒドロキシアルカノエート(PHAs)の場合、パスウェイは、細胞内のヒドロキシアキルコアモノマーをポリマー化する酵素を含みます。 微調整酵素式とブロックによって、ポリマーの抽出物に蓄積されるポリマーは、ポリマーに蓄積されるポリマーに、ポリマーが80%以上蓄積されることがあります。

同様のアプローチは、ポリ乳酸(PLA)に使用されますが、PLAは、通常、化学的重合による乳酸の発酵によって生成されます。合成生物学は、乳酸の直接生物学的生産を可能にし、別の化学的ステップなしでポリマー化することができる。 ]] 、工業用バイオテクノロジーのリーダーであるGenomatica] は、このようなルートを先駆的に、バイオベースのモノマーがナイロンおよびポリエステル交換に使用されるバイオ モノマーのためのルートを開拓しました。

クリスPRとゲノムの編集

CRISPR-Cas9は、設計-ビルドテスト-ラーニングサイクルを劇的に短縮しました。 従来の遺伝子工学が1つの遺伝子を修正するのに数か月かかる場合、CRISPRは1週間に複数の編集を行うことができます。 これは、合成経路の急速なプロトタイピングを可能にします。 例えば、カリフォルニア大学のチームは、CRISPRを使用して、CRISPRを使用して、CESudomonas putida]を設計し、中鎖のPHAを柔軟に成形する機械的特性を成形するフィルムを成形する。

セルフリーシステム

新たなアプローチは、細胞のない合成生物学であり、酵素カクテルは生体内で組み立てられ、生体細胞の外にポリマーを生成します。これは毒性と代謝の負担の問題を回避します。 スタートアップのようなEnginZyme[]は、継続的に動作する拡張可能なバイオプラスチック生産のためのセルフリープラットフォームを開発しています。

合成生物学による主要なバイオベースのプラスチック

ポリヒドロキシアルカノエーツ(PHA)

PHAは、細菌によってエネルギー貯蔵として生成されるポリエステルです。それらは、海洋および土壌環境で完全に生分解可能です。合成生物学は、酵母のような異質なホストで生産を有効にしています。これは、栽培と収穫が容易です。 Danimer ScientificやCJ CheilJedangなどの企業は、パッケージング、ストロー、コーティング用のPHAを商品化しています。 Danimer ScientificのNodax®およびバイオグレード:PHAは、植物性およびコーティングのために市販されています。 [FLT:]および主要なブランドは、および有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機化合物(有機性有機性)および有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機性有機

バイオマス発酵によるポリ乳酸(PLA)

現在、植物砂糖から作られた最も一般的なバイオベースのプラスチックです。 合成生物学は、微生物における乳酸生成の効率性を高め、コストとエネルギーを削減しています。 最近の進歩により、より強力なPLAを産生する高光学純度L-乳酸の生産が実現します。 TotalEnergies Corbionのメタボリックエンジニアは、95%以上の収量を達成し、最適化された酵母の負担が向上しました。

バイオベースポリエチレンとポリエステル

従来のポリエチレンは、脱水からエチレンにバイオエタノール(トウモロコシまたはシュガーカネからエチレン)を通したバイオエタノール(エチレン)から作ることができます。合成生物学は、エチレンを直接砂糖から生成する微生物を設計するために使用され、エチレンステップをバイパスします。同様に、バイオベースのポリエチレンテレフタレート(バイオペット)は、バイオマスからテルフタリン酸を生成するエンジニアリング生物で前進しています。 LCURR[F]工業用ガスを変換] [FLT] [FLT]] 工業用ガスを変換]

合成生物学の利点–運転された生物プラスチック

  • ]更新可能な飼料ストック:[ 化石油の代わりに、農業廃棄物、砂糖のカビ、またはCO]2を捕捉します。
  • 低炭素フットプリント:] 従来のプラスチックと比較して、温室効果ガス排出量の80%削減までのライフサイクル評価が示されています。
  • 生物分解性:]]] 工業用設備や家庭環境でもPHAなどの多くのバイオベースのプラスチックが堆肥化しています。
  • カスタマイズ可能な特性:]]]モノマー組成を調整することで、合成生物学は、特定のアプリケーションに適した、硬質、柔軟性、または伸縮性プラスチックを生成できます。
  • 災害時:] DNA合成と高スループットスクリーニングにより、新たなポリマーの異様体の発見が加速します。

例えば、MITのチームは、強い弾力性で、医療用縫合や生分解性包装フィルムでの使用を開く新しいPHAコポリマーを作成するために、指向の進化を使用していました。

事例:産業スケールPHA生産

生体プラスチックの最も先進的な合成生物学プロジェクトの一つは、ニューライト技術のような企業によってPHAの生産です。 彼らのプロセスは、メタン(強力な温室効果ガス)をPHAポリマーに変換する合成遺伝子回路と組み合わせてメタン消費細菌を使用します。 その結果は、カーボンネガティブプラスチックです。 IKEAとのパートナーシップでは、ニューライトは生分解性家庭用製品を開発しています。 もう一つの例は、技術者がメタン(植物性植物性ガス)を使用してバイオガスを廃棄物から排出するマンゴー材料です。

合成生物学が産業発酵と組み合わせるときに、これらのプロジェクトは、スケーラビリティの潜在能力を実証します。パイロットプラントは、現在稼働しており、最初の商用製品が棚に到達しています。

課題とソリューション

コスト競争力

バイオベースのプラスチックは現在、石油ベースのカウンタよりも2〜3倍のコストがかかります。合成生物学は、収量、層、および生産性を向上させることでこれを対処します。例えば、エンジニアリングの緊張は、高製品濃度を許容し、下流処理コストを削減します。メタボリックフラックスは、酵素ボトルネックを予測する機械学習モデルを使用して最適化することができます。

飼料畜のサステナビリティ

食品作物(トウモロコシ、砂糖のカニ)の頼りに土地使用の心配を上げます。合成生物学は、セルロースとヘミセルロースを分解する微生物を工学することによって、リグノセルロス系バイオマス(トウモロコシコンロや木材チップなどの農業残渣)の使用を可能にします。 ] Yarrowia lipolytica]の高度な緊張は、糖質を合成し、バイオマスを抽出し、植物を抽出し、植物を活性化する。

終身管理

すべてのバイオベースのプラスチックは、生分解性です。合成生物学は、ポリマーのバックボーンに酵素分解タグを組み込むことができ、トリガーされた劣化を可能にします。Carbiosのような企業は、PETとPLAをリサイクルするためのモノマーにデポリマー化するために、エンジニアの酵素を使用しています。 []]Carbiosの酵素リサイクルプロセス]]]は、従来のペットだけでなく、循環型プラスチック経済に合成生物学をリンクする作業に役立ちます。

未来の展望:循環型生物経済に向けて

合成生物学は、線形(竹-メイク-廃棄物)から円形にプラスチック産業を変換するために設定されます。将来の開発は次のとおりです。

  • 組込み合成回路を用いたひび割れを修復できる「自己治癒」プラスチックを生成する設計マイクロブ。
  • 細菌が最終製品に残る生活資材、需要に応じて生分解性を提供します。
  • 食品包装のためのバリア特性など、石油化学プラスチックと等しい特性または優れた特性を持つ新しいポリマーの人工知能ガイド設計。
  • カーボンキャプチャ技術との統合:CO]2をキャプチャしたフィードストックが、エンジニアリングシアノバクテリアまたはケモリトオートトロフを介してバイオプラスチックに変換されました。

政策支援も成長しています。欧州連合のグリーンディールと米国バイオ経済イニシアティブは、バイオベースの代替手段の研究を資金提供しています。持続可能なパッケージングの消費者需要は小売業者のコミットメントを促進しています。2030年までに、多くの主要なブランドは、すべてのパッケージの再生可能、再利用可能な、または堆肥化することを目指しています。合成生物学は、それらの材料をスケールで提供することができるエンジンです。

コンテンツ

合成生物学は単なる増分改善ではありません。それは、私たちがプラスチックを産生する方法におけるパラダイムシフトです。微生物を再プログラミングすることで、再生可能な炭素からポリマーを建設することにより、高機能、生分解性、およびカーボンニュートラルまたはさらにはマイナスである材料を作成することができます。この技術は、ラボの好奇心から現実的な商用生産に移行しました。コストが低下し、新しい飼料ストックは、合成物質が供給されるようになり、バイオテクノロジーは、合成物質の生物学的資源を合成するだけでなく、プラスチックの汚染を生産するの危険性を生じ、そして汚染物質を生じさせるのに役立ちます。