Apa Isi Biologi Sintetis dan Mengapa Penting bagi Plastik?

Biologi sintetis adalah bidang interdisipliner yang menerapkan prinsip-prinsip rekayasa ke biologi. Ini melibatkan merancang ulang organisme untuk tujuan yang berguna oleh rekayasa mereka untuk memiliki kemampuan baru. Peneliti dapat menulis kode genetik baru ⁇ sering seperti perangkat lunak penulisan ⁇ untuk membuat mikrob menghasilkan bahan kimia, bahan bakar, dan bahan yang pernah berasal dari sumber daya fosil.Dalam konteks plastik, biologi sintetis memungkinkan untuk memprogram mikroorganisme untuk mensintesis polimer langsung dari bahan baku terbarukan seperti gula jagung, tebu, atau bahkan karbon dioksida yang ditangkap.

viotar inti typelessit termasuk sintesis DNA, penyuntingan gen (terutama CRISPR-Cas9), dan rekayasa jalur metabolisme.Dengan merakit kombinasi novel gen, ilmuwan dapat menciptakan pabrik seluler yang berkubang keluar senyawa bernilai tinggi dengan presisi.Hal ini membuka pintu untuk memproduksi plastik berbasis bio yang keduanya secara fungsional kompetitif dengan plastik petrokimia dan murni berkelanjutan.

Sebagai contoh, ]a studi 2021 dalam Nature Biotechnology mendemonstrasikan rekayasa E. coli[ yang menghasilkan polihidroxyalkanoates (PHAs) pada hasil yang cocok untuk skala komersial.Terobosan semacam itu mempercepat garis waktu untuk plastik berbasis bio untuk mencapai pasar.

Teknik Biologi Sintetik Biologi Fisika Teknologi Sintetik Mengendarai Pengembangan Plastik Berasaskan Bio-Berbasis

Rekayasa Jalur Metabolik

Rekayasa metabolik adalah fondasi. Ilmuwan merancang jalur baru dalam organisme seperti E. coli[, ragi, atau cyanobacteria untuk mengubah gula sederhana menjadi prekursor polimer. Untuk polihidroksialkanolaat (PHAs), jalur tersebut melibatkan enzim yang polimerisasi monomer hidroksikasil-CoA di dalam sel. Dengan ekspresi enzim halus-tuning dan menghalangi jalur yang bersaing, peneliti dapat mendorong fluks karbon menuju akumulasi polimer, kadang-kadang mencapai lebih dari 80% berat kering sel sebagai PHA.

Pendekatan serupa yang digunakan untuk asam polilaktat (PLA), meskipun PLA biasanya diproduksi melalui fermentasi asam laktat yang diikuti dengan polimerisasi kimia. Biologi sintetis sekarang memungkinkan produksi langsung biologis laktida, dimer siklik asam laktat, yang dapat dipolimerisasi tanpa langkah kimia terpisah.]Genomatica], seorang pemimpin dalam bioteknologi industri, telah merintis rute seperti untuk monomer berbasis bio yang digunakan dalam nilon dan pengganti poliester.

Mengeluarkan dan Mengedit Genome

CerisPR-Cas9 telah secara dramatis memperpendek siklus desain-build-test-learn.Di mana rekayasa genetika tradisional membutuhkan waktu berbulan-bulan untuk memodifikasi gen tunggal, CRISPR dapat membuat beberapa suntingan dalam seminggu.Ini memungkinkan prototiping cepat jalur sintetis. Sebagai contoh, tim di Universitas California telah menggunakan CRISPR untuk insinyur Pseudomonas putida untuk menghasilkan PHAs medium-chain-length dengan properti mekanis yang disesuaikan ⁇ dari film fleksibel ke termoplastik kaku.

Sistem Bebas Sel

Pendekatan yang muncul adalah biologi sintetik bebas sel, di mana cocktail enzim dirakit secara in vitro untuk menghasilkan polimer di luar sel hidup.Ini menghindari isu toksisitas dan beban metabolik. Start seperti EngsinZyme adalah mengembangkan platform bebas sel untuk produksi bioplastik yang dapat diskalakan yang dapat beroperasi secara terus-menerus, memotong biaya dan penggunaan energi.

Bio-Blastik Dasar Kunci Bio-Beda Diaktifkan oleh Biologi Sintetik

Polihidroksimalkanoat (PHA)

PHAS adalah poliester yang dihasilkan oleh bakteri sebagai penyimpanan energi. Mereka sepenuhnya dapat dianalisis secara biodegradasi di lingkungan laut dan tanah. Biologi sintetis telah mengaktifkan produksi dalam host heterolog seperti ragi, yang lebih mudah dibudidayakan dan panen. Perusahaan seperti Danimer Scientific dan CJ CheilJedang mengkomersialkan PHA untuk kemasan, jerami, dan pelapis. Danimer Scientific's Nodax[FLT:]]] PHA] disertifikasi biograd dan digunakan oleh merek-mer utama.

Asam Polilaktik Galaksi (PLA) via Fermentasi Biomassa

PLAZAN PLA saat ini merupakan plastik berbasis bio yang paling umum, terbuat dari gula tanaman yang difermentasi.Biologi sintetis telah meningkatkan efisiensi produksi asam laktat dalam mikroorganisme, mengurangi biaya dan energi.Kemajuan terbaru memungkinkan produksi asam L-laktat beroptik tinggi, yang menghasilkan PLA yang lebih kuat. Insinyur metabolik di TotalEnergies Corbion telah mencapai hasil sebesar 95% atau lebih baik dalam mengoptimalkan strain ragion.

Polyethylene dan Polyesters Berasaskan Bio-Basilia

Polietilena tradisional oleh jamur dapat dibuat dari bio-etanol (etanol dari jagung atau tebu) melalui dehidrasi ke etilena. Biologi sintetis sekarang digunakan untuk merekayasa mikrob yang menghasilkan etilena langsung dari gula, memotong langkah etanol. Demikian pula, polietilena tereftalat (bio-PET) berbasis bio dapat bergerak maju dengan organisme terrekayasa yang menghasilkan asam tereffthal dari biomassa. LanzaTech] menggunakan fermentasi gas untuk mengubah emisi karbon industri menjadi etil glikolin, prekursor PET.

Keuntungan Biologi Sintetik Driven Bio-Plastika

  • Renewable feedstocks: Penggunaan limbah pertanian, tebu, atau ditangkap CO]2 daripada minyak fosil.
  • [5] LUGAL:0]]Lower karbon jejak kaki: Penilaian siklus-hidup muncul hingga pengurangan 80% emisi gas rumah kaca dibandingkan plastik konvensional.
  • [Obles:0]]Biodegradability:] Banyak plastik berbasis bio seperti PHA yang kompostable di fasilitas industri dan bahkan lingkungan rumah.
  • [[ZOZAL:0]]Customizable property: Dengan menyesuaikan komposisi monomer, biologi sintetis dapat menghasilkan plastik yang kaku, fleksibel, atau mudah renggang ⁇ tailored untuk aplikasi tertentu.
  • Faster iterasi: sintesis DNA dan pencairan telanput tinggi mempercepat penemuan varian polimer baru.

Sebagai contoh, sebuah tim dari MIT menggunakan evolusi terarah untuk membuat sebuah novel PHA copolimer yang kuat maupun elastis, membuka penggunaan dalam jahitan medis dan film kemasan yang dapat didegradasi secara biodegradable.

Studi Kasus Kasus Kasus: Produksi PHA Skala Industri

Salah satu proyek biologi sintetis yang paling maju untuk bio-plastik adalah produksi PHA oleh perusahaan seperti Newlight Technologies. Proses mereka menggunakan bakteri metana-konsumsi gabungan dengan sirkuit gen sintetis untuk mengubah metana (gas rumah kaca yang ampuh) menjadi polimer PHA. Hasilnya adalah plastik karbon-negatif. Dalam kemitraan dengan IKEA, Newlight sedang mengembangkan produk rumah yang dapat didegradasi biodegradable. Contoh lainnya adalah Mango Material, yang menggunakan methanotroph yang direkayasa untuk menghasilkan PHA dari biogas limbah.

Proyek-proyek ini menunjukkan potensi skalabilitas ketika biologi sintetis dikombinasikan dengan fermentasi industri. tanaman pilot sekarang beroperasi, dan produk komersial pertama mencapai rak.

Tantangan dan Solusi

Persaingan Biaya

Plastik berbasis bio yang saat ini menghabiskan biaya 2–3 kali lebih banyak daripada counterpart berbasis minyak bumi. Biologi sintetis mengalamatkan hal ini dengan meningkatkan hasil, titer, dan produktivitas. Sebagai contoh, strain teknik untuk mentoleransi konsentrasi produk tinggi mengurangi biaya pengolahan hilir. Fluks metabolik dapat dioptimalkan menggunakan model pembelajaran mesin yang memprediksi enzim bottenck.

Sumbangan Sumbangan Suapan

Bekalio dereksi pada tanaman pangan (corn, tebu) menimbulkan kekhawatiran penggunaan tanah. Biologi sintetis memungkinkan penggunaan biomassa lignocellulosik (produsen agricultural seperti pemrotor jagung atau chip kayu) oleh mikrob rekayasa yang memecah selulosa dan hemicellulosa. Strain lanjutan dari Yarrowia lipolitica[ telah direkayasa untuk mengko-utilasi xylose dan glukosa dari biomass hidrosis, mencapai hasil PHA yang tinggi tanpa bersaing dengan pasokan makanan.

Manajemen Akhir-Kehidupan

Tidak semua plastik berbasis bio dapat didegradasi. Biologi sintetis dapat menggabungkan tag breakdown enzymatic ke dalam tulang punggung polimer, mengaktifkan degradasi yang dipicu. Perusahaan seperti Carbios menggunakan enzim terrekayasa untuk mendepolimerisasi PET dan PLA menjadi monomer untuk daur ulang.] Proses daur ulang enzymatic Carbios bekerja pada PET konvensional juga, menghubungkan biologi sintetis dengan ekonomi plastik melingkar.

Ke arah Bioekonomi yang Memantul

Biologi kinetik vocal biologi diset untuk mengubah industri plastik dari linear (ambil-buat-waste) menjadi melingkar Perkembangan masa depan meliputi:

  • Mikroba pereka bentuk dari kinernik yang menghasilkan plastik ” healing diri sendiri ” yang dapat memperbaiki retakan menggunakan sirkuit sintetis tertanam.
  • Bahan hidup di mana bakteri tetap berada dalam produk akhir, menyediakan biodegradabilitas permintaan.
  • Kecerdasan buatan ⁇ digudireksi desain polimer baru dengan sifat yang setara atau lebih unggul daripada plastik petrokimia, seperti sifat penghalang untuk pengepakan makanan.
  • Infintegrasi dengan teknologi penangkapan karbon: stok-pakapan dari CO yang ditangkap2] diubah menjadi bio-plastik melalui cyanobacteria atau chemolithoautotroph yang direkayasa.

Dukungan Kebijakan Kebijakan Kebijakan Kebijakan Kebijakan Kebijakan Uni Eropa juga semakin berkembang.Persyaratan dana Dana Bioekonomi Uni Eropa dan Dana Dana Bioekonomi Amerika Serikat terhadap alternatif berbasis bio.Penggunaan konsumen untuk kemasan berkelanjutan adalah mengemudikan komitmen pengecer: pada tahun 2030, banyak merek utama yang bertujuan untuk membuat semua kemasan dapat direksi, dapat digunakan kembali, atau dapat dikompos. Biologi sintetis adalah mesin yang dapat mengantarkan bahan-bahan tersebut pada skala.

Kekecualian Kesimpulan

Biologi sintetis tidak semata-mata merupakan perbaikan inkremental ⁇ itu adalah pergeseran paradigma dalam cara kita menghasilkan plastik. Dengan memprogram ulang mikroorganisme untuk membangun polimer dari karbon terbarukan, kita dapat menciptakan bahan yang dapat meningkatkan mutu, dapat dianalisis secara biodegradasi, dan karbon netral atau bahkan negatif. Teknologi telah berpindah dari rasa ingin tahu laboratorium untuk produksi komersial dunia nyata. Seiring dengan biaya terus menurun dan stok pakan baru menjadi layak, plastik berbasis bio akan menjadi bagian standar dari rantai pasokan bahan global, membantu decouple produksi plastik dari sumber daya fosil dan misi krisis lingkungan dari plastik.