Что такое синтетическая биология и почему она важна для пластика?

Синтетическая биология — это междисциплинарная область, которая применяет инженерные принципы к биологии. Она включает в себя перепроектирование организмов для полезных целей, проектируя их для получения новых способностей. Исследователи могут написать новый генетический код — так же, как программное обеспечение для письма — чтобы заставить микробы производить химические вещества, топливо и материалы, которые когда-то были получены из ископаемых ресурсов. В контексте пластмасс синтетическая биология позволяет программировать микроорганизмы для синтеза полимеров непосредственно из возобновляемых исходных материалов, таких как кукурузный сахар, сахарный тростник или даже захваченный углекислый газ.

Основной инструментарий включает синтез ДНК, редактирование генов (особенно CRISPR-Cas9) и инжиниринг метаболических путей. Собрав новые комбинации генов, ученые могут создавать клеточные фабрики, которые точно выделяют высокоценные соединения. Это открывает дверь для производства биопластиков, которые функционально конкурентоспособны с нефтехимическими пластмассами и действительно устойчивы.

Например, исследование 2021 года в Природная биотехнология продемонстрировало инженерную E. coli , которая производила полигидроксиалканоаты (PHA) в урожае, подходящем для коммерческого масштаба. Такие прорывы ускоряют сроки выхода на рынок биопластиков.

Синтетические биологические методы, управляющие био-основой пластической разработки

Метаболический Pathway Engineering

Метаболическая инженерия является основой. Ученые разрабатывают новые пути в организмах, таких как E. coli, дрожжи или цианобактерии, чтобы преобразовать простые сахара в предшественники полимеров. Для полигидроксиалканоатов (PHAs) путь включает ферменты, которые полимеризуют мономеры гидроксиацила-CoA внутри клетки. Путем тонкой настройки экспрессии ферментов и блокирования конкурирующих путей исследователи могут подтолкнуть поток углерода к накоплению полимера, иногда достигая более 80% сухого веса клетки в виде PHA.

Аналогичный подход используется для полимолочной кислоты (PLA), хотя PLA обычно производится путем ферментации молочной кислоты с последующей химической полимеризацией. Синтетическая биология теперь позволяет напрямую производить лактид, циклический димер молочной кислоты, который может быть полимеризован без отдельных химических этапов. Genomatica , лидер в промышленной биотехнологии, впервые разработал такие маршруты для био-мономеров, используемых в нейлоновых и полиэфирных заменах.

CRISPR и редактирование генома

CRISPR-Cas9 резко сократил цикл проектирования-строительства-испытаний. Там, где традиционная генная инженерия заняла месяцы, чтобы модифицировать один ген, CRISPR может сделать несколько правок за неделю. Это позволяет быстро создавать прототипы синтетических путей. Например, команды из Калифорнийского университета использовали CRISPR для разработки Pseudomonas putida для производства ПГС средней длины цепи с индивидуальными механическими свойствами — от гибких пленок до жестких термопластов.

Системы без клеток

Новый подход - бесклеточная синтетическая биология, где ферментные коктейли собираются in vitro для производства полимеров вне живых клеток. Это позволяет избежать проблем токсичности и метаболического бремени. Такие стартапы, как EnginZyme ] разрабатывают безклеточные платформы для масштабируемого производства биопластика, которые могут работать непрерывно, сокращая затраты и потребление энергии.

Ключевые био-пластики, доступные для синтетической биологии

Полигидроксиалканоаты (PHA)

PHA являются полиэфирами, производимыми бактериями в качестве хранилища энергии. Они полностью биоразлагаемы в морской и почвенной среде. Синтетическая биология позволила производить в гетерогенных хозяев, таких как дрожжи, которые легче культивировать и собирать. Такие компании, как Danimer Scientific и CJ CheilJedang, коммерциализируют PHA для упаковки, соломинок и покрытий. Danimer Scientific Nodax ® PHA сертифицирована как биоразлагаемая и используется крупными брендами.

Полилактическая кислота (PLA) посредством ферментации биомассы

PLA в настоящее время является наиболее распространенным пластиком на основе биопрепаратов, изготовленным из ферментированных растительных сахаров. Синтетическая биология повысила эффективность производства молочной кислоты в микроорганизмах, сократив затраты и энергию. Последние достижения позволяют производить L-молочной кислоты с высокой оптической чистотой, которая дает более сильную PLA. Инженеры-метаболические специалисты TotalEnergies Corbion достигли урожайности 95% или лучше в оптимизированных штаммах дрожжей.

Био-основанный полиэтилен и полиэфиры

Традиционный полиэтилен может быть изготовлен из биоэтанола (этанол из кукурузы или сахарного тростника) посредством обезвоживания до этилена. Синтетическая биология в настоящее время используется для создания микробов, которые производят этилен непосредственно из сахаров, минуя стадию этанола. Аналогичным образом, полиэтилентерефталат на основе биоинженерии (био-ПЭТ) движется вперед с инженерными организмами, которые производят терефталевую кислоту из биомассы. LanzaTech использует газовую ферментацию для преобразования промышленных выбросов углерода в этиленгликоль, предшественник ПЭТ.

Преимущества синтетической биологии - управляемая био-пластика

  • Возобновляемое сырье: Использует сельскохозяйственные отходы, сахарный тростник или улавливаемый CO2 вместо ископаемого масла.
  • Низкий углеродный след: Оценки жизненного цикла показывают до 80% сокращение выбросов парниковых газов по сравнению с обычными пластмассами.
  • Биоразлагаемость: Многие пластмассы на биооснове, такие как PHA, компостируются на промышленных объектах и даже в домашних условиях.
  • Настраиваемые свойства: При регулировке мономерной композиции синтетическая биология может производить пластмассы, которые являются жесткими, гибкими или растягиваемыми, с учетом конкретных применений.
  • Быстрая итерация: Синтез ДНК и высокопроизводительный скрининг ускоряют открытие новых вариантов полимеров.

Например, команда из MIT использовала направленную эволюцию для создания нового сополимера PHA, который является одновременно прочным и эластичным, открывая применение в медицинских швах и биоразлагаемых упаковочных пленках.

Тематические исследования: Промышленно-масштабное производство PHA

Одним из самых передовых проектов в области синтетической биологии биопластиков является производство PHA компаниями, такими как Newlight Technologies. В их процессе используются метанопотребляющие бактерии в сочетании с синтетическими генными цепями для преобразования метана (мощного парникового газа) в полимеры PHA. Результатом является углеродотрицательный пластик. В партнерстве с IKEA Newlight разрабатывает биоразлагаемые домашние продукты. Другим примером является Mango Materials, в котором используются инженерные метанотрофы для производства PHA из отходов биогаза.

Эти проекты демонстрируют потенциал масштабируемости, когда синтетическая биология сочетается с промышленной ферментацией. Сейчас в эксплуатации находятся пилотные установки, а первые коммерческие продукты достигают полок.

Проблемы и решения

Конкурентоспособность затрат

Биопластики в настоящее время стоят в 2-3 раза дороже, чем аналоги на нефтяной основе. Синтетическая биология решает эту проблему путем повышения урожайности, титра и производительности. Например, инженерные штаммы для переноса высоких концентраций продукта снижают затраты на переработку. Метаболические потоки могут быть оптимизированы с использованием моделей машинного обучения, которые предсказывают узкие места ферментов.

Устойчивость кормового сырья

Опираясь на продовольственные культуры (кукурузу, сахарный тростник) поднимает проблемы землепользования. Синтетическая биология позволяет использовать лигноцеллюлозную биомассу (сельскохозяйственные остатки, такие как кукурузный ставер или древесная щепа) инженерными микробами, которые разрушают целлюлозу и гемицеллюлозу. Продвинутые штаммы Yarrowia lipolytica были спроектированы для совместного использования ксилозы и глюкозы из гидролизатов биомассы, достигая высоких выходов PHA, не конкурируя с поставками продовольствия.

Управление концепцией жизни

Не все пластмассы на биооснове являются биоразлагаемыми. Синтетическая биология может включать ферментативные метки распада в полимерный хребет, что позволяет вызвать деградацию. Такие компании, как Carbios, используют инженерные ферменты для деполимеризации ПЭТ и ПЛА в мономеры для переработки. Процесс ферментативной переработки Carbios работает также и на обычном ПЭТ, связывая синтетическую биологию с круговой пластиковой экономикой.

Будущее: к круговой биоэкономике

Синтетическая биология призвана трансформировать пластиковую промышленность из линейной (отходы от производства) в круговую. Будущие разработки включают:

  • Конструкторские микробы, которые производят «самоисцеляющиеся» пластмассы, которые могут восстанавливать трещины с помощью встроенных синтетических схем.
  • Живые материалы, где бактерии остаются в конечном продукте, обеспечивая биоразлагаемость по требованию.
  • Искусственный интеллект — это разработка новых полимеров со свойствами, равными или превосходящими нефтехимические пластмассы, такие как барьерные свойства для упаковки пищевых продуктов.
  • Интеграция с технологиями улавливания углерода: сырье из захваченного CO2, преобразованное в биопластик с помощью инженерных цианобактерий или хемолитоавтотрофов.

Растет и поддержка политики. Европейское соглашение по «зеленым» продуктам и фонд «Инициатива по биоэкономике» США проводят исследования альтернативных биоматериалов. Потребительский спрос на устойчивую упаковку стимулирует обязательства розничных продавцов: к 2030 году многие крупные бренды стремятся сделать всю упаковку пригодной для вторичной переработки, многоразовой или компостируемой. Синтетическая биология является двигателем, который может доставлять эти материалы в масштабе.

Заключение

Синтетическая биология — это не просто постепенное улучшение — это сдвиг парадигмы в том, как мы производим пластмассы. Перепрограммируя микроорганизмы для создания полимеров из возобновляемого углерода, мы можем создавать материалы, которые являются высокоэффективными, биоразлагаемыми и углеродно-нейтральными или даже негативными. Технология перешла от лабораторного любопытства к реальному коммерческому производству. Поскольку затраты продолжают падать, а новые исходные материалы становятся жизнеспособными, биопластики, работающие на синтетической биологии, станут стандартной частью глобальной цепочки поставок материалов, помогая отделить производство пластмасс от ископаемых ресурсов и смягчить экологический кризис загрязнения пластиком.