Den mesta miljövetenskapen är fokuserad på hur man vrider tillbaka klockan, inte trycka det framåt, säger Ben Bostick, en geokemist vid Lamont-Doherty Earth Observatory. "Vi funderar på hur vi kan rulla tillbaka vårt fotavtryck, och inte så mycket om hur vi kan göra vårt fotavtryck större på ett positivt sätt, ", sa han. "Men det finns många exempel på syntetisk biologi som jag tror faktiskt har mycket potential i miljön. Tänk på hur vi kan hjälpa vår miljö bara genom att göra saker som att förbättra materialen vi gör med syntetisk biologi."

Syntetisk biologi (synbio) är konstruktionen av biologiska komponenter, såsom enzymer och celler, eller funktioner och organismer som inte finns i naturen, eller deras omdesign för att utföra nya funktioner. Syntetiska biologer identifierar gensekvenser som ger organismer vissa egenskaper, skapa dem kemiskt i ett labb, sätt sedan in dem i andra mikroorganismer, som E. coli, så att de producerar de önskade proteinerna, egenskaper eller funktioner.

Sedan 2011, när jag skrev en allmän introduktion till synbio, fältet har vuxit snabbt.

En anledning till detta är utvecklingen av genredigeringsverktyget CRISPR-Cas9, användes första gången 2013, som lokaliserar, skär och ersätter DNA på specifika platser. En annan anledning är hur lätt det har blivit att använda Registry of Standard Biological Parts, som katalogiserar över 20, 000 genetiska delar eller BioBricks som kan beställas och användas för att skapa nya syntetiska organismer eller system.

Under 2018, investerare satsade 3,8 miljarder dollar och regeringar runt om i världen investerade 50 miljoner dollar i synbioföretag. Senast 2022, den globala marknaden för synbio-applikationer beräknas uppgå till 13,9 miljarder dollar. Men syntetisk biologi är fortfarande kontroversiell eftersom den innebär att förändra naturen och dess potential och risker är inte helt förstådda.

Bostick, som arbetar med att åtgärda arsenikföroreningar av grundvatten genom att stimulera naturliga bakterier att producera ämnen som arsenik fastnar på, förklarade att, faktiskt, hela det biologiska samhället som arbetar på organismer förändrar biologiska system hela tiden, men ändra inte genetiskt material eller organismer. Forskare raderar enzymer, sätta in nya, och ändra olika saker för att förstå den naturliga världen "Det är standardtekniker nu men de görs mekanistiskt, " sa han. "Om du vill se hur ett protein fungerar, vad gör du? Du ändrar det faktiskt – det är precis så vi har studerat vår miljö. De är syntetiska och de är biologiska förändringar men de är helt enkelt inte gjorda med syftet som definierar syntetisk biologi." Synbio är mer kontroversiellt eftersom dess syfte är att bygga konstgjorda biologiska system som inte redan finns i den naturliga världen.

Ändå, syntetisk biologi producerar några potentiella lösningar på våra mest svårlösta miljöproblem. Här är några exempel.

Att hantera föroreningar

Mikrober har använts för att känna av, identifiera och kvantifiera miljöföroreningar i årtionden. Nu kan syntetiserade mikrobiella biosensorer rikta in sig på specifika toxiner som arsenik, kadmium, kvicksilver, kväve, ammonium, nitrat, fosfor och tungmetaller, och svara på olika sätt. De kan konstrueras för att generera en elektrokemisk, termisk, akustisk eller bioluminescerande signal när den möter den angivna föroreningen.

Vissa mikrober kan sanera mark eller vatten naturligt. Att syntetisera vissa proteiner och överföra dem till dessa bakterier kan förbättra deras förmåga att binda till eller bryta ner tungmetaller eller radionuklider. En jordbakterie fick nya regleringskretsar som styr den att konsumera industriella kemikalier som mat. Forskare i Skottland konstruerar bakterier för att omvandla tungmetaller till metalliska nanopartiklar, som används inom medicin, industri och bränslen.

CustoMem i Storbritannien använder syntetisk biologi för att skapa ett granulärt material som attraherar och fastnar på mikroföroreningar som bekämpningsmedel, läkemedel, och vissa kemikalier i avloppsvatten. Och australiska forskare försöker skapa en flercellig struktur som de kallar en "syntetisk manet" som kan släppas ut efter ett giftigt spill för att bryta ner föroreningarna.

Att bevara den biologiska mångfalden

Amerikanska kastanjer dominerade USA:s östkust fram till 1876, när en svamp som bärs på importerade kastanjefrön förstörde dem, lämnar mindre än en procent till 1950. För att göra träd som är motståndskraftiga mot röta, forskare har infogat en vetegen i kastanjembryon, gör det möjligt för dem att tillverka ett enzym som avgiftar svampen. Detta kastanjeträd kommer sannolikt att bli den första genetiskt modifierade organismen som släpps ut i naturen när det har godkänts av Department of Agriculture, Food and Drug Administration (FDA) och Environmental Protection Agency (EPA).

Återuppliva och återställa, en organisation som använder genetiska tekniker för att bevara biologisk mångfald, försöker rädda den utrotningshotade svartfotade illern, som är mottaglig för sylvatisk pest. Eftersom den inhemska illern inte är, forskare studerar möjligheten att hitta generna som ger den inhemska illern resistens och redigera dem till den svartfotade illerns arvsmassa. Forskningen kommer att börja med cellkulturer i labbet.

Gendrifter är mekanismer som sprider en önskad genetisk egenskap genom en population för att kontrollera invasiva arter. En gendrift övervägdes nyligen för att kontrollera guldmusslan, som har invaderat sydamerikanska och latinamerikanska vatten. Efter att ha identifierat generna relaterade till reproduktion och infertilitet hos guldmusslor, forskare föreslog att man skulle använda CRISPR-Cas9 för att redigera musslans genom för att göra honorna infertila. De genetiskt modifierade musslorna skulle sedan födas upp med vilda musslor i labbet, skapa modifierade embryon som skulle kunna släppas ut i naturen för att sprida infertilitet i hela befolkningen. En gendrift för att eliminera myggor som bär malaria har fungerat i labbet, men ingen konstruerad gendrivenhet har ännu prövats på området.

Vissa forskare arbetar också med att modifiera korallgenom för att ge dem mer motståndskraft mot värmande havstemperaturer, föroreningar och havsförsurning. Andra har föreslagit att modifiera generna från cyanobakterier som påverkar fukten i jordskorpan i halvöken-ekosystem så att jorden behåller mer vatten och mer växtlighet kan växa.

Mata världen

Med världens befolkning förväntas nå 10 miljarder år 2050, den globala efterfrågan på mat kan öka med 59 till 98 procent. Klimatförändringarna påverkar – högre temperaturer, extremt väder, torka, ökande halter av koldioxid och höjning av havsnivån – äventyrar kvantiteten och kvaliteten på vår livsmedelsförsörjning.

Att förbättra jordbruket

Forskare vid University of California, San Diego upptäckte att när växter möter torra förhållanden, de frigör ett hormon som stänger växtens porer för att hålla kvar vatten, bromsar dess tillväxt och håller fröna vilande. Det hormonet är dyrt att syntetisera, dock, så forskare arbetade med syntetiskt utvecklade receptorer i tomatplantor som svarade på ett liknande vattenbesparande sätt på en vanlig fungicid istället, gör växterna mer motståndskraftiga mot torka.

Salk Institutes forskare har identifierat de gener som uppmuntrar en växts rotsystem att växa djupare ner i jorden. De planerar att konstruera genetiska vägar för att få djupare rötter, som gör det möjligt för växter att motstå stress, binda upp mer kol och berika jorden.

Mikrober som lever med baljväxter ger dem förmågan att omvandla kväve från atmosfären till näringsämnen som växten behöver för att växa. Dock, eftersom andra växter inte kan tillgodogöra sig kväve naturligt, bönder har traditionellt använt konstgödsel. Produktion av gödselmedel, gjorda huvudsakligen av fossila bränslen, resulterar i utsläpp av växthusgaser och övergödning. Som ett alternativ, Pivot Bio, ett företag i Kalifornien, konstruerade generna från en mikrob som lever på majsrötter, vete- och risväxter för att göra det möjligt för mikroben att dra ut kväve ur luften och mata det till en växt i utbyte mot näringsämnen. I fälttester, dess kväveproducerande mikrob för majs gav 7,7 bushels per hektar mer än kemiskt befruktade åkrar.

Ny mat

Lantbruk, inklusive uppfödning av boskap, står för cirka 8 procent av USA:s utsläpp av växthusgaser. Genetiskt modifierade mikrober används för att producera mat som är mer hållbar, etiskt och potentiellt hälsosammare. Motif Ingredients utvecklar alternativa proteiningredienser utan animaliskt jordbruk. Den använder konstruerade mikrober för att producera matproteiner som kan skräddarsys för att efterlikna smaker eller texturer som liknar de som finns i nötkött och mejeriprodukter.

Impossible Foods växtbaserade hamburgare innehåller syntetiserad hem, den järnhaltiga molekyl som finns i djur och växter som ger kött dess blodiga smak. För att klara det, forskare lade till en växtgen till jäst, som, efter jäsning, producerade stora mängder av hemproteinet. Impossible Burger använder 75 procent mindre vatten och 95 procent mindre mark än en vanlig biffburgare, och ger 87 procent färre utsläpp av växthusgaser.

När efterfrågan på skaldjur växer globalt (fiskebestånden är redan 90 procent överfiskade), likaså behovet av fiskmjöl, proteinpellets gjorda av mald småfisk och spannmål som matar såväl odlad fisk som boskap. Kalifornien-baserade NovoNutrients använder CO ₂ från industriella utsläpp till matning av labbskapade bakterier, som sedan producerar protein som liknar de aminosyror fisk får genom att äta mindre fisk; bakterierna ersätter fiskmjölet, förse fisken med protein och andra näringsämnen.

Skapa grönare produkter

Bränsle

Förbränning av fossila bränslen för energi stod för 94 procent av den totala amerikanska antropogena koldioxiden ₂ utsläpp 2016, så mycket forskning syftar till att skapa bättre biobränslen som inte konkurrerar med livsmedelsproduktion, markens näringsämnen eller utrymme. Den senaste generationens biobränslen fokuserar på konstruerade mikroalger, som har hög fett- och kolhydrathalt, växer snabbt och är relativt robusta. Att ändra sina metaboliska vägar gör det möjligt för dem att fotosyntetisera mer effektivt, producera mer olja, absorbera mer kol, and be hardier so that their numbers can be scaled up.

LanzaTech in Illinois identified an organism that naturally makes ethanol from industrial waste gases. After the company engineered it with "pathways" from other organisms to improve its performance, the organism is able to produce unique molecules for valuable chemicals and fuels. LanzaTech's first commercial plant in China has produced over seven million gallons of ethanol from steel mill emissions that can be converted into jet fuel and other products.

Materials

165 million tons of plastic have trashed the oceans, with almost 9 million more tons being added each year. Synbio could provide a solution to this pollution problem, both by degrading plastic and replacing it.

In 2016, researchers in Japan identified two enzymes in a bacterium that enable it to feed on and degrade PET plastic, the kind used for water bottles and food containers. Sedan dess, researchers around the world have been analyzing how the enzymes break down the plastic and trying to improve their ability to do so.

California-based Newlight Technologies is using a specially developed microorganism-based biocatalyst (similar to an enzyme) to turn waste gas captured from air into a bioplastic. The biocatalyst pulls carbon out of methane or carbon dioxide from farms, water treatment plants, landfills, or energy facilities, then combines it with hydrogen and oxygen to synthesize a biopolymer material. The biopolymer, called AirCarbon, can replace plastic in furniture and packaging.

Lignin is a key component of plants that, like other types of biomass, could be used for renewable fuels and chemicals. Since very few bacteria and fungi can break it down naturally, scientists have been trying for years to develop an efficient way of doing so. Now some have engineered a naturally occurring enzyme to break it down, which could eventually make it possible to use lignin for nylon, bioplastics and even carbon fiber.

The manufacturing of complex electronic devices requires toxic, rare, and non-renewable substances, and generates over 50 million tons of e-waste each year. Simon Vecchioni, som nyligen försvarade sin doktorsexamen. in biomedical engineering at Columbia University, is using synthetic biology to produce DNA nanowires and networks as an alternative to silicon device technology.

Vecchioni ordered synthesized DNA from a company, used it to create his own custom BioBrick—a circular piece of DNA—and inserted it into the bacterium E.coli, which created copies of the DNA. He then cut out a part of the DNA and inserted a silver ion into it, turning the DNA into a conductor of electricity. His next challenge is to turn the DNA nanowires into a network. The DNA nanowires may one day replace wires made of valuable metals such as gold, silver (which Vecchioni only uses at the atomic scale), platina och iridium, and their ability to "self-assemble" could eliminate the use of the toxic processing chemicals used to etch silicon.

"A technology for fabricating nanoscale electrical circuits could transform the electronics industry. Bacteria are microscale factories, and DNA is a biodegradable material, " he said. "If we are successful, we can hope to produce clean, cheap, renewable electronics for consumer use."

Building materials

The production of cement (a key ingredient of concrete) is responsible for about eight percent of global greenhouse gas emissions because of the energy needed to mine, transport and prepare the raw materials. bioMASON in North Carolina provides an alternative by placing sand in molds and injecting it with bacteria, which are then fed calcium ions in water. The ions create a calcium carbonate shell with the bacteria's cell walls, causing the particles to stick together. A brick grows in three to five days. bioMASON's bricks can be customized to glow in the dark, absorb pollution, or change color when wet.

Dressing more sustainably

Fast fashion has a disastrous impact on the environment because of its dyes and fabric finishes, fossil fuel use and microfiber pollution. About three-fourths of the water used for dyeing ends up as toxic wastewater, and over 60 percent of textiles are made from polyester and other fossil fuel-based fibers that shed microfibers when washed, polluting our waters.

French company Pili synthesizes enzymes that can be tailored to produce different colors, then integrates them into bacteria. The bacteria are then able to create pigments. Pili's dye is produced without petroleum products or chemicals, and uses one-fifth the water of regular dyes.

Spider silk, considered one of nature's strongest materials, is elastic, durable and soft. Bolt Threads, based in San Francisco, studied spider DNA to figure out what gives spider silk its special characteristics, then engineered genes accordingly and put them into yeast, som, after fermentation, produce large quantities of liquid silk proteins. The silk protein is then spun into fibers, which can be made into renewable Microsilk.

The risks of synbio

I USA., synbio chemicals and pharmaceuticals are mainly regulated by the Toxic Substances Control Act of 1976. Other synbio commercial products and applications are regulated by the EPA, Department of Agriculture, and the FDA. But do these agencies have the capacity and effectiveness to monitor synthetic biology as fast as it's developing and changing?

As some syn bio applications are starting to move out of the lab, there are worries about its potential environmental risks. If an engineered organism, such as those used in gene drives, is released into nature, could it prove more successful than existing species in an ecosystem and spread unchecked?

Bostick noted that each synthetic biology project today is usually focused on one very specific modification. "It's adding or altering a single enzyme, possibly putting in a series of enzymes so that it can do one thing, " he said. "Very seldom do you tweak the rest of the organism, so it's not critical to the success of the organism and it's not likely to run rampant. From a scientific standpoint, it's hard to change more than one thing."

Dessutom, according to Vecchioni, most synbio research is being done by student groups through iGEM's International Genetically Engineered Machine Competition, and every iGEM project must have a safety component—some way to turn off the gene or regulate it if it gets out.

Another concern is that the creation or modification of organisms could be used to create a disease for the purpose of bioterrorism. Vecchioni explained that the FBI is on the lookout for this. "They walk in nicely and say 'hi, we're watching, '" he said. "They also go to conferences and just make sure people are being smart about it." He added that DNA synthesis companies are also on alert. "They have a library of known dangerous pieces of DNA, so if you try to order something that is known to create disease in any organism, the FBI will come knocking on your door."

A more recent concern is that research institutes have begun setting up biofoundries, facilities that rely heavily on automation and artificial intelligence (AI) to enhance and accelerate their biotechnology capabilities. Jim Thomas, co-executive director of the ETC Group, which monitors emerging technologies, is concerned about the tens of thousands of organisms that AI is being used to create. "It raises a real safety question because if you have something go wrong, you potentially don't understand why it went wrong, " said Thomas. "With AI it's a bit of a black box." He noted that most experts agree that there has to be a process for monitoring and assessing new developments in synbio.

Despite the potential risks of synbio, its potential benefits for the planet are huge. And as our environment is battered by the impacts of climate change and human activity, we need to explore all options. "We need every possible solution to even remotely get to the magnitude of change that we need to improve our world, " said Bostick.

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.