Разработка синтетических биологических систем для повышения продовольственной безопасности

По мере того, как население планеты приближается к примерно 9,7 миллиардам к 2050 году, давление на сельскохозяйственные системы с целью производства достаточно безопасных, питательных продуктов питания никогда не было большим. Изменение климата, деградация почв, нехватка воды и рост заболеваемости вредителями и патогенами еще больше усугубляют эти проблемы. Традиционные методы селекции и химико-интенсивные методы ведения сельского хозяйства, хотя и исторически эффективны, достигают своих пределов. В ответ ученые обращаются к синтетической биологии - области, которая перестраивает биологические системы для выполнения новых функций - для создания устойчивых, устойчивых и высокоурожайных стратегий производства продуктов питания. Инженерируя самые строительные блоки жизни, исследователи стремятся укрепить сельскохозяйственные культуры от стресса окружающей среды, повысить плотность питания и уменьшить зависимость от синтетических удобрений и пестицидов. В этой статье исследуется, как синтетическая биология используется для повышения глобальной продовольственной безопасности, инструменты, которые делают это возможным, и критические препятствия, которые необходимо устранить для безопасного и справедливого внедрения этих инноваций.

Синтетическая биология: проектирование жизни из Scratch

Синтетическая биология объединяет принципы от инженерии, молекулярной биологии и вычислительного проектирования для создания новых генетических цепей, метаболических путей и целых организмов. В отличие от традиционной генетической модификации, которая обычно передает один ген, синтетическая биология направлена на создание сложных, предсказуемых биологических систем - часто путем сборки стандартизированных частей ДНК. Центральным в этих усилиях являются такие инструменты, как CRISPR-Cas9 для точного редактирования генома, технологии синтеза ДНК и сборки, а также вычислительные модели, которые предсказывают, как инженерные схемы будут вести себя внутри живых клеток. Эти достижения позволяют ученым писать новый генетический код и программировать организмы для получения ценных соединений, чувственных сигналов окружающей среды или выполнять логические операции. Результатом является быстро расширяющийся инструментарий, который может быть применен непосредственно к сельскому хозяйству, от перепрограммирования реакции растения на засуху до инженерных микробов, которые фиксируют азот непосредственно в почве.

Например, исследователи из Кембриджского университета разработали синтетические генные схемы, которые позволяют растениям активировать защитные реакции только при обнаружении конкретных патогенов, сводя к минимуму отходы ресурсов и уменьшая потребность в пестицидах широкого спектра действия. Аналогичным образом, сеть SynBioBeta подчеркивает проекты, в которых бактерии разрабатываются для производства феромонов, которые путают насекомых-вредителей, заменяя химические инсектициды с биологической точностью. Эти примеры подчеркивают силу синтетической биологии, чтобы выйти за рамки простой вставки признаков в сторону динамических, отзывчивых сельскохозяйственных систем.

Ключевые технологии Enabling

• CRISPR-Cas9 и Base Editors: Разрешают целевые нокауты генов, вставки или замены оснований с беспрецедентной точностью. Эта технология используется для создания сельскохозяйственных культур с улучшенной устойчивостью к засухе, устойчивостью к болезням и увеличенным сроком хранения.
• ДНК синтез и сборка:] Достижения в синтезе олигонуклеотидов и такие методы, как сборка Гибсона и клонирование Золотых Ворот, позволяют строить большие, многогенные пути. Эти методы необходимы для создания синтетических метаболических путей, которые производят витамины, аминокислоты или биопестициды непосредственно в растениях или микробах.
• Вычислительное моделирование и машинное обучение:] Алгоритмы предсказывают поведение генетических цепей, оптимизируют метаболический поток и идентифицируют гены-кандидаты на инженерию. Это уменьшает пробные ошибки и ускоряет цикл проектирования-строительства-тестирования-обучения.
• Системы без клеток:] Безклеточная синтетическая биология использует очищенные транскрипционные и трансляционные механизмы для быстрого прототипирования биологических конструкций, минуя потребность в живых хозяинах. Это ускоряет тестирование новых путей производства питательных веществ или биосенсоринга.

Ключевые приложения для продовольственной безопасности

Революция в области синтетической биологии уже приносит ощутимые выгоды для сельского хозяйства. Ниже приведены наиболее перспективные области применения, каждая из которых нацелена на отдельное узкое место в глобальной продовольственной системе.

Генетически улучшенные культуры с программируемой устойчивостью

Традиционное разведение успешно увеличило урожайность, но оно медленное и неточное. Синтетическая биология ускоряет развитие культур, которые могут противостоять засухе, солености, жаре и наводнениям — стрессам, которые усиливаются с изменением климата. Например, исследователи из Международного исследовательского института риса (IRRI) использовали синтетическую биологию для введения стимулятора, реагирующего на засуху, который активирует набор защитных генов только тогда, когда вода становится дефицитной. Эта система «по требованию» сохраняет энергию в нормальных условиях и избегает штрафа за урожай, часто связанного с конститутивной стрессоустойчивостью.

Еще одна важная задача - инженерная фиксация азота непосредственно в зерновых культурах, подвиг, который резко снизит зависимость от синтетических азотных удобрений, производство которых является энергоемким и способствует выбросам парниковых газов. Путем пересадки комплекса ферментов азотазы из бактерий в растительные хлоропласты, ученые стремятся позволить рису, пшенице и кукурузе фиксировать свой собственный азот. Хотя остаются проблемы, такие как защита чувствительной к кислороду азотазы от фотосинтеза растений, недавние исследования в дрожжах и Arabidopsis предполагают, что подход осуществим. Природная биотехнологическая бумага на инженерной азотазе в растительных митохондриях предлагает многообещающий путь вперед.

Сама фотосинтетическая эффективность реинжинирингуется с помощью синтетической биологии. Фермент Rubisco, который катализирует фиксацию углерода, как известно, медленный и часто путается с кислородом. Вводя альтернативные механизмы концентрации углерода (CCM) от цианобактерий или водорослей в сельскохозяйственные культуры, исследователи повысили скорость фотосинтеза в лабораторных испытаниях до 40%. Сейчас проводятся полевые испытания табака и маниоки с потенциальными побочными эффектами для основных культур, таких как маниоки, критически важный источник пищи в Африке к югу от Сахары.

Биоукрепление: инженерные питательные плотные скобы

Скрытый голод — недостаток необходимых витаминов и минералов — затрагивает более двух миллиардов человек во всем мире. Синтетическая биология предлагает мощные стратегии биоукрепления основных культур, которые составляют основную часть многих диет. Например, Золотой рис, который производит бета-каротин (предшественник витамина А), был знаковым достижением в генной инженерии. Недавние подходы к синтетической биологии идут дальше, укладывая несколько метаболических путей для одновременного повышения содержания железа, цинка, витамина А и фолиевой кислоты в рисе.

Помимо риса, исследователи разработали маниоку для накопления более высоких уровней белка, железа и витамина А с использованием синтетических генных схем, которые усиливают поток через каротиноидные и метиониновые пути. Аналогичным образом, полевые испытания в Кении тестируют сорта сорго, которые производят повышенные уровни провитамина А и лизина, незаменимой аминокислоты, часто дефицитной в диетах на основе зерновых. Программа HarvestPlus , документировала, что биоукрепленные культуры могут значительно улучшить питательный статус в целевых популяциях, а синтетическая биология обещает ускорить создание еще более эффективных сортов.

Микробы являются невоспетыми рабочими лошадками сельского хозяйства, и синтетическая биология раскрывает их потенциал для замены химических входов. Инженерные азотфиксирующие бактерии (например, ] Ризобий или свободноживущие Азотобактерии ) могут быть оптимизированы для повышения активности азотазы, более широкого диапазона хозяев и лучшей колонизации корней. Такие компании, как Pivot Bio , коммерциализировали микробные азотфиксаторные установки для кукурузы, которые уменьшают потребность в синтетических удобрениях на 30-40% при сохранении урожайности.

Аналогичным образом, синтетические биологи разрабатывают микробы, которые производят специфические биопестициды, такие как Bt-токсины, РНК-инструкции или летучие соединения, которые отталкивают вредителей. Эти сконструированные пробиотики могут применяться к семенам или почве, обеспечивая целенаправленный контроль вредителей, не нанося вреда полезным насекомым. Например, штаммы Pseudomonas fluorescens были спроектированы для производства инсектицидного токсина только тогда, когда они обнаруживают присутствие корнеплодов, уменьшая побочные эффекты.

Еще одним захватывающим рубежом является производство необходимых питательных веществ в системах микробной ферментации. Дрожжи и бактерии могут быть запрограммированы на синтез омега-3 жирных кислот, витаминов и аминокислот в масштабе, предлагая устойчивую альтернативу рыбьему жиру или химическому синтезу. Эти микробные «клеточные фабрики» могут быть развернуты в децентрализованных учреждениях в регионах с продовольственной незащищенностью, обеспечивая местный источник добавок для укрепления блюд.

Контролируемые системы роста и адаптивные организмы

Синтетическая биология также позволяет точное земледелие посредством проектирования организмов, которые динамически реагируют на условия окружающей среды. Например, растения могут быть спроектированы с помощью синтетических биосенсоров, которые сообщают о состоянии питательных веществ, наличии воды или присутствии патогенов через изменения цвета или флуоресценцию, позволяя фермерам вмешиваться в оптимальное время. Микробные датчики, размещенные в почве, могут сигнализировать, когда уровень азота падает ниже порога, вызывая высвобождение инженерных биоудобрений.

В контролируемом сельском хозяйстве (теплицы и вертикальные фермы) синтетическая биология предлагает возможность адаптировать комплексы сбора света, уменьшить реакции избегания тени и ускорить циклы роста. Исследователи из Университета Вагенингена использовали синтетические генные схемы, чтобы сделать листья салата толще и более питательными в условиях низкой освещенности, улучшая урожайность в закрытых фермах. Такие достижения имеют решающее значение для городских систем производства продуктов питания, которые стремятся снизить транспортные расходы и продовольственные мили.

Проблемы и этические измерения

Несмотря на свои обещания, развертывание синтетических биологических систем в сельском хозяйстве сталкивается со значительными техническими, экологическими и социальными препятствиями.Ответственные инновации требуют тщательного рассмотрения каждого.

Биобезопасность и экологические риски

Инженерные организмы, выпущенные в окружающую среду, потенциально могут распространять свои генетические модификации на диких родственников или нарушать естественные экосистемы. Например, засухоустойчивая культура может вытеснить местные виды, если ее инженерные черты дают избирательное преимущество. Для смягчения этого синтетические биологи разрабатывают стратегии «сдерживания», такие как схемы биосдерживания, которые требуют определенных питательных веществ или убивают переключатели, которые активируются, если организм покидает контролируемую среду. Использование основанных на CRISPR генных драйвов, которые заставляют ген через популяцию, вызывает особую озабоченность и в настоящее время является предметом глобальных дебатов по регулированию. Отчет национальных академий о генных драйвах рекомендует поэтапное тестирование и строгий надзор перед любым полевым выпуском.