합성 생물학은 무엇이며 왜 플라스틱에 대한 매트는?

합성 생물학은 생물학에 대한 엔지니어링 원칙을 적용하는 간섭 분야입니다. 그것은 새로운 능력을 가지고 엔지니어링하여 유용한 목적으로 생물을 재 설계하는 데 포함됩니다. 연구자들은 새 유전 코드를 작성할 수 있습니다. 마이크로 브래스 생성 화학 물질, 연료 및 화석 자원에서 파생 된 재료. 플라스틱의 맥락에서 합성 생물학은 재생 가능 피드스톡과 같은 폴리머를 합성 할 수 있습니다. 이 글은 옥수수, 설탕, 이산화탄소, 캐피탈, 탄소, 이 글을 붙인 등 다양한 화학 물질을 합성 할 수 있습니다.

이 제품은 DNA 합성, 유전자 편집 (특히 CRISPR-Cas9) 및 대사 경로 엔지니어링을 포함합니다. 유전자의 모이는 소설 조합에 의해 과학자는 정밀가치 화합물을 churn 아웃하는 셀룰러 공장을 만들 수 있습니다. 이 문은 석유 화학 플라스틱과 진정으로 지속 가능한 두 기능성으로 경쟁되는 바이오 기반 플라스틱을 생산하는 문을 열었습니다.

예를 들어, ]a 2021 Nature Biotechnology ]]는 ]E. coli를 구현하여 상업적 규모에 적합한 수율에 따라 폴리 히드 록시 알카노 에이트(PHAs)를 생산했습니다. 이러한 획기적인 것은 바이오 기반 플라스틱의 타임라인을 가속화하고 시장에 도달합니다.

Bio-Based Plastic Development를 구동하는 합성 생물학 기술

Metabolic Pathway 엔지니어링

Metabolic Engineering은 기초입니다. 과학자들은 E. coli, 효모, 또는 cyanobacteria 같은 생물체의 새로운 통로를 설계하여 폴리머 전구체로 간단한 설탕을 변환합니다. polyhydroxyalkanoates (PHAs)의 경우, 통로는 세포 내부의 hydroxyacyl-CoA 모노머를 중합하는 효소를 포함합니다. 미세 조정 효소 표식과 구획 계산으로 인해, 연구원은 때때로 탄소의 축적을 밀어 낼 수 있습니다.

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CRISPR 및 게놈 편집

CRISPR-Cas9는 설계-설계-테스트-learn 사이클을 극적으로 단축했습니다. 전통적인 유전 공학이 한 달에 한 번씩 수정할 수 있는 CRISPR은 일주일에 여러 편집을 할 수 있습니다. 이것은 합성 통로의 급속한 프로토 타이핑을 허용합니다. 예를 들어, 캘리포니아 대학의 팀은 CRISPR을 엔지니어 Pseudomonas putida를 사용하여 기계적 인 구조로 기계적 인 수축성 필름을 생산합니다.

셀프리 시스템

신흥 접근법은 세포 자유로운 합성 생물학, 효소 칵테일이 생물 세포의 외부를 일으키기 위하여 vitro에서 조립되는 곳에 입니다. 이것은 독성과 대사 짐의 문제점을 피합니다. EnginZyme]와 같은 시작은 지속적으로, 절단 비용 및 에너지 사용을 운영할 수 있는 확장 가능한 생물성 생산을 위한 세포 자유로운 플랫폼을 개발하고 있습니다.

합성 생물학에 의해 Enabled 중요한 생물 근거한 플라스틱

폴리 히드 록시칸산염 (PHA)

PHA는 에너지 저장으로 박테리아에 의해 생성 된 폴리 에스테르입니다. 그들은 바다와 토양 환경에서 완전히 생분해됩니다. 합성 생물학은 효모와 같은 이데오루스 호스트에서 생산을 활성화했으며 재배 및 수확이 용이합니다. Danimer Scientific 및 CJ CheilJedang과 같은 회사는 포장, 밀짚 및 코팅을위한 PHA를 상용화하고 있습니다. Danimer Scientific의 Nodax [FLT:]][FLT:]][FLT:]][FLT:]][FLT:]][FLT:]][FLT:]]]

Biomass Fermentation을 통해 Polylactic 산 (PLA)

PLA는 현재 가장 일반적인 바이오 기반 플라스틱이며 발효 식물 설탕으로 만들어졌습니다. 합성 생물학은 미생물에 대한 젖산 생산 효율을 개선했으며 비용과 에너지를 줄였습니다. 최근 진보는 높은 광학적 인 L-lactic 산의 생산을 허용하여 PLA를 생산합니다. TotalEnergies Corbion의 대사 엔지니어는 95 % 이상의 효모 스트레인에 최적화 된 효모 스트레인에서 수확량을 달성했습니다.

바이오 기반 폴리에틸렌 및 폴리 에스테르

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합성 생물학의 이점–Driven Bio-Plastics

  • Renewable feedstocks: 농업 폐기물, 설탕, 또는 캡처 된 CO2] 화석 오일 대신.
  • Lower carbon 발자국: Life-cycle assessments show up to 80% 온실 가스 배출에 대한 기존 플라스틱에 비해.
  • Biodegradability: PHA와 같은 많은 바이오 기반 플라스틱은 산업 시설과 가정 환경에서도 구성할 수 있습니다.
  • Customizable 속성: monomer 구성을 조정함으로써, 합성 생물학은 엄밀하고 유연하고, 또는 특정 응용 분야에 적합하다 플라스틱을 생산할 수 있습니다.
  • Faster iteration: DNA 종합과 고강성 검사는 새로운 폴리머 변형의 발견을 가속화합니다.

예를 들어, MIT의 팀은 의료 봉합 및 생분해성 포장 필름에서 강력한 탄성, 개방 용도 모두 인 소설 PHA 공중 합체를 만드는 데 사용 된 진화를 지시했습니다.

사례 연구: 산업 Scale PHA 생산

바이오 플라스틱에 가장 진보 된 합성 생물학 프로젝트 중 하나는 Newlight Technologies와 같은 회사에 의해 PHA의 생산입니다. 그들의 과정은 합성 유전자 회로와 결합 된 메탄 소성 박테리아를 사용하여 PHA 폴리머로 메탄 (정원 온실 가스)을 변환합니다. 결과는 탄소 부정적인 플라스틱입니다. IKEA와 파트너십에서 Newlight는 생물 분해성 가정 제품을 개발하고 있습니다. 또 다른 예는 Mango Materials이며, Methanotrophs를 사용하여 바이오 가스에서 생산하는 것을 생산합니다.

이 프로젝트는 합성 생물학이 산업 발효와 결합 될 때 확장 가능성 잠재력을 보여줍니다. 조종사 식물은 지금 가동 중이며, 첫 번째 상업 제품은 선반에 도달합니다.

도전과 솔루션

비용 경쟁력

바이오 기반 플라스틱은 현재 석유 기반 부품보다 2 ~ 3 배 더 많은 비용이 들었습니다. 합성 생물학은 수율, titer 및 생산성 향상을 통해이 주소를 나타냅니다. 예를 들어, 엔지니어링 변형을 tolerate high 제품 농도는 다운 스트림 처리 비용을 감소시킵니다. Metabolic fluxes는 효소 병목을 예측하는 기계 학습 모델을 사용하여 최적화 할 수 있습니다.

Feedstock 지속 가능성

식품 작물 (콘, 설탕 캔)에 의존하는 토지 사용 문제를 제기합니다. 합성 생물학은 셀룰로오스와 헴 셀룰로오스를 파괴하는 미생물을 엔지니어링하여 미생물을 사용하여 농작물 (농작물 잔류물)의 사용을 가능하게합니다. [[FLT :0]]Yarrowia lipolytica[[FLT :1]의 고급 변형은 글리세루오스 식품의 풍부하고 풍부하게 함유되어 있으며, 높은 수준의 식품 공급을 통해 바이오 매스를 공급하지 않고 바이오 매스를 공급하는 데 기여했습니다.

End-of-Life 관리

모든 바이오 기반 플라스틱은 생분해성입니다. 합성 생물학은 백본에 효소 고장 태그를 통합 할 수 있으며 방아쇠를 유발합니다. Carbios와 같은 회사는 PET 및 PLA를 재활용하기위한 단일 병합하는 효소를 사용하여 설계되었습니다. [[FLT : 0]]] Carbios의 효소 재활용 공정[FLT :1]]은 기존 PET에 작동하며 원형 플라스틱 경제에 합성 생물학을 연결합니다.

미래 전망: 원형 Bioeconomy를 향해

합성 생물학은 원형에 선형 (take-make-waste)에서 플라스틱 산업을 변형시키기 위해 설정됩니다. 미래 개발에는 다음과 같습니다.

  • “self-healing” 플라스틱을 생산하는 디자이너 microbes는 내장된 합성 회로를 사용하여 균열을 수리할 수 있습니다.
  • 박테리아가 최종 제품에 남아있는 생활 재료, 수요에 생물 분해성 제공.
  • 인공 지능 - 식품 포장을위한 장벽 특성과 같은 석유 화학 플라스틱과 같은 속성과 동등한 또는 우수한 새로운 폴리머의 설계.
  • 탄소 캡처 기술 통합 : 캡처 된 CO [[FLT : 0]]의 피드 스톡 : 2 [FLT : 1] 엔지니어 cyanobacteria 또는 chemolithoautotrophs를 통해 바이오 플라스틱으로 변환.

정책 지원도 증가하고 있습니다. 유럽 연합의 녹색 거래와 미국 생물 자원 이니셔티브 기금은 바이오 기반 대안으로 연구합니다. 지속 가능한 포장을위한 소비자 수요는 소매의 약속을 운전하고 있습니다. 2030, 많은 주요 브랜드는 모든 포장 재활용, 재사용 또는 퇴비를 만들기 위해 목표로합니다. 합성 생물학은 규모에 해당 재료를 제공 할 수있는 엔진입니다.

관련 기사

합성 생물학은 단순히 증가 개선이 아닙니다. 플라스틱을 생산하는 방법에 대한 패러다임 교대입니다. 마이크로 조직을 재생 가능한 탄소에서 폴리머를 구축하기 위해 미생물을 재생함으로써, 우리는 높은-performing, 생물 분해성 및 탄소 중립 또는 심지어 부정적인 물질을 만들 수 있습니다. 기술은 실험실 호기심에서 현실 세계 상업 생산으로 이동했습니다. 비용으로 하락하고 새로운 Feedstocks는 viable, 생물 기반 플라스틱의 오염 물질이 될 수 있습니다. 이 기술은 화학 물질의 생산에 대한 환경 보호에 대한 표준을 돕고, 플라스틱의 생산에 의해 생산되는 물질의 생산에 의해 생산되는 물질을 공급하는 데 도움이 될 것입니다.