La maggior parte delle scienze ambientali si concentra su come far tornare indietro l'orologio, non spingerlo in avanti, dice Ben Bostick, un geochimico all'Osservatorio della Terra di Lamont-Doherty. "Pensiamo a come possiamo ripristinare la nostra impronta, e non tanto su come possiamo rendere la nostra impronta più grande in modo positivo, " ha detto. "Ma ci sono molti esempi di biologia sintetica che penso abbiano effettivamente un grande potenziale nell'ambiente. Pensa a come possiamo aiutare il nostro ambiente semplicemente facendo cose come migliorare i materiali che produciamo usando la biologia sintetica".

La biologia sintetica (synbio) è la costruzione di componenti biologici, come enzimi e cellule, o funzioni e organismi che non esistono in natura, o la loro riprogettazione per svolgere nuove funzioni. I biologi sintetici identificano sequenze di geni che conferiscono agli organismi determinate caratteristiche, crearli chimicamente in un laboratorio, poi inserirli in altri microrganismi, come E. coli, in modo che producano le proteine ​​desiderate, caratteristiche o funzioni.

Dal 2011, quando ho scritto un'introduzione generale a synbio, il campo è cresciuto rapidamente.

Uno dei motivi è lo sviluppo dello strumento di editing genetico CRISPR-Cas9, usato per la prima volta nel 2013, che individua, taglia e sostituisce il DNA in punti specifici. Un altro motivo è quanto sia diventato facile utilizzare il Registro delle parti biologiche standard, che cataloga oltre 20, 000 parti genetiche o BioBrick che possono essere ordinati e utilizzati per creare nuovi organismi o sistemi sintetici.

Nel 2018, gli investitori hanno versato 3,8 miliardi di dollari e i governi di tutto il mondo hanno investito 50 milioni di dollari in società synbio. Entro il 2022, il mercato globale per le applicazioni synbio dovrebbe essere di 13,9 miliardi di dollari. Ma la biologia sintetica è ancora controversa perché implica l'alterazione della natura e il suo potenziale e i suoi rischi non sono completamente compresi.

Bostick, che lavora sulla bonifica della contaminazione da arsenico delle acque sotterranee stimolando i batteri naturali a produrre sostanze a cui l'arsenico si attacca, ha spiegato che, infatti, l'intera comunità biologica che lavora sugli organismi altera continuamente i sistemi biologici, ma non modificare il materiale genetico o gli organismi. Gli scienziati eliminano gli enzimi, inserirne di nuovi, e cambiare cose diverse per capire il mondo naturale "Quelle sono tecniche standard ora ma sono fatte meccanicamente, " disse. "Se vuoi vedere come funziona una proteina, cosa fai? In realtà lo cambi:è esattamente così che abbiamo studiato il nostro ambiente. Sono sintetici e sono alterazioni biologiche, ma semplicemente non sono fatti con lo scopo che definisce la biologia sintetica." Synbio è più controverso perché il suo scopo è costruire sistemi biologici artificiali che non esistono già nel mondo naturale.

Tuttavia, la biologia sintetica sta producendo alcune potenziali soluzioni ai nostri problemi ambientali più intrattabili. Ecco alcuni esempi.

Affrontare l'inquinamento

I microbi sono stati usati per percepire, identificare e quantificare gli inquinanti ambientali per decenni. Ora i biosensori microbici sintetizzati sono in grado di colpire tossine specifiche come l'arsenico, cadmio, mercurio, azoto, ammonio, nitrato, fosforo e metalli pesanti, e rispondere in vari modi. Possono essere progettati per generare un elettrochimico, termico, segnale acustico o bioluminescente quando si incontra l'inquinante designato.

Alcuni microbi possono decontaminare il suolo o l'acqua in modo naturale. La sintesi di determinate proteine ​​e il loro trasferimento a questi batteri può migliorare la loro capacità di legarsi o degradare metalli pesanti o radionuclidi. A un batterio del suolo sono stati dati nuovi circuiti regolatori che lo indirizzano a consumare prodotti chimici industriali come cibo. I ricercatori in Scozia stanno progettando batteri per convertire i metalli pesanti in nanoparticelle metalliche, che sono usati in medicina, industria e combustibili.

CustoMem nel Regno Unito utilizza la biologia sintetica per creare un materiale granulare che attrae e si attacca ai microinquinanti come pesticidi, prodotti farmaceutici, e alcune sostanze chimiche nelle acque reflue. E i ricercatori australiani stanno tentando di creare una struttura multicellulare che chiamano "medusa sintetica" che potrebbe essere rilasciata dopo una fuoriuscita di sostanze tossiche per abbattere i contaminanti.

Preservare la biodiversità

I castagni americani hanno dominato la costa orientale degli Stati Uniti fino al 1876, quando un fungo trasportato da semi di castagno importati li ha devastati, lasciando meno dell'uno per cento entro il 1950. Per creare alberi resistenti alla peronospora, gli scienziati hanno inserito un gene del grano in embrioni di castagno, consentendo loro di produrre un enzima che disintossica il fungo. Questo castagno rischia di diventare il primo organismo geneticamente modificato ad essere rilasciato in natura una volta approvato dal Dipartimento dell'Agricoltura, la Food and Drug Administration (FDA) e l'Environmental Protection Agency (EPA).

Rianima e ripristina, un'organizzazione che utilizza tecniche genetiche per preservare la biodiversità, sta tentando di salvare il furetto dai piedi neri in via di estinzione, che è suscettibile di peste silvatica. Perché il furetto domestico non lo è, gli scienziati stanno studiando la possibilità di trovare i geni che conferiscono resistenza al furetto domestico e di modificarli nel genoma del furetto dai piedi neri. La ricerca inizierà con colture cellulari in laboratorio.

Le unità genetiche sono meccanismi che diffondono un tratto genetico desiderato attraverso una popolazione per controllare le specie invasive. Recentemente è stato preso in considerazione un gene drive per controllare la cozza dorata, che ha invaso le acque sudamericane e latinoamericane. Dopo aver identificato i geni legati alla riproduzione e alla sterilità nelle cozze d'oro, gli scienziati hanno proposto di utilizzare CRISPR-Cas9 per modificare il genoma della cozza per rendere sterili le femmine. Le cozze geneticamente modificate verrebbero quindi allevate con cozze selvatiche in laboratorio, creando embrioni modificati che potrebbero essere rilasciati in natura per diffondere l'infertilità in tutta la popolazione. Un gene drive per eliminare le zanzare che portano la malaria ha funzionato in laboratorio, ma nessun gene drive ingegnerizzato è stato ancora provato sul campo.

Alcuni scienziati stanno anche lavorando alla modifica dei genomi dei coralli per dare loro una maggiore resistenza al riscaldamento delle temperature oceaniche, inquinamento e acidificazione degli oceani. Altri hanno proposto di modificare i geni dei cianobatteri che influenzano l'umidità nella crosta del suolo degli ecosistemi semidesertici in modo che il suolo conservi più acqua e possa crescere più vegetazione.

Nutrire il mondo

Con la popolazione mondiale che dovrebbe raggiungere i 10 miliardi entro il 2050, la domanda globale di cibo potrebbe aumentare dal 59 al 98 percento. Impatti del cambiamento climatico:temperature più elevate, tempo estremo, siccità, l'aumento dei livelli di anidride carbonica e l'innalzamento del livello del mare stanno mettendo a repentaglio la quantità e la qualità delle nostre scorte di cibo.

Migliorare l'agricoltura

Ricercatori dell'Università della California, San Diego ha scoperto che quando le piante incontrano condizioni di siccità, rilasciano un ormone che chiude i pori della pianta per trattenere l'acqua, rallenta la sua crescita e mantiene i semi dormienti. Quell'ormone è costoso da sintetizzare, però, così gli scienziati hanno lavorato con recettori sviluppati sinteticamente nelle piante di pomodoro che hanno risposto in modo simile a un fungicida comunemente usato per risparmiare acqua, rendendo le piante più resistenti alla siccità.

Gli scienziati del Salk Institute hanno identificato i geni che incoraggiano l'apparato radicale di una pianta a crescere più in profondità nel terreno. Hanno in programma di progettare percorsi genetici per stimolare radici più profonde, che consentirà alle piante coltivate di resistere allo stress, sequestrare più carbonio e arricchire il suolo.

I microbi che vivono con i legumi danno loro la capacità di convertire l'azoto dall'atmosfera in sostanze nutritive di cui la pianta ha bisogno per crescere. Però, perché altre piante non possono assimilare naturalmente l'azoto, gli agricoltori hanno tradizionalmente utilizzato fertilizzanti chimici. La produzione di fertilizzanti, principalmente da combustibili fossili, provoca emissioni di gas serra ed eutrofizzazione. In alternativa, Pivot Bio, una società californiana, ingegnerizzato i geni di un microbo che vive sulle radici del mais, piante di grano e riso per consentire al microbo di estrarre l'azoto dall'aria e darlo a una pianta in cambio di sostanze nutritive. Nelle prove sul campo, il suo microbo che produce azoto per il mais ha prodotto 7,7 staia per acro in più rispetto ai campi fertilizzati chimicamente.

Nuovi cibi

Agricoltura, compreso l'allevamento del bestiame, è responsabile di circa l'8% delle emissioni di gas serra degli Stati Uniti. I microbi geneticamente modificati vengono utilizzati per produrre alimenti più sostenibili, etico e potenzialmente più sano. Motif Ingredients sta sviluppando ingredienti proteici alternativi senza agricoltura animale. Utilizza microbi ingegnerizzati per produrre proteine ​​alimentari che possono essere adattate per imitare sapori o consistenze simili a quelle che si trovano nella carne bovina e nei latticini.

L'hamburger vegetale di Impossible Foods contiene eme sintetizzato, la molecola contenente ferro presente negli animali e nelle piante che conferisce alla carne il suo sapore sanguinolento. Per farlo, gli scienziati hanno aggiunto un gene vegetale al lievito, quale, dopo la fermentazione, produce grandi quantità di proteina eme. Impossible Burger utilizza il 75% in meno di acqua e il 95% in meno di terra rispetto a un normale hamburger di manzo, e produce l'87 per cento in meno di emissioni di gas serra.

Poiché la domanda di prodotti ittici cresce a livello globale (gli stock ittici sono già sovrasfruttati del 90%), così fa la necessità di farina di pesce, i pellet proteici fatti di piccoli pesci e cereali macinati che alimentano i pesci d'allevamento e il bestiame. NovoNutrients, con sede in California, utilizza CO ₂ dalle emissioni industriali per nutrire i batteri creati in laboratorio, che poi producono proteine ​​simili agli amminoacidi che i pesci ottengono mangiando pesci più piccoli; i batteri sostituiscono la farina di pesce, fornendo al pesce proteine ​​e altri nutrienti.

Creare prodotti più ecologici

combustibili

La combustione di combustibili fossili per l'energia ha rappresentato il 94 percento della CO . antropogenica totale degli Stati Uniti ₂ emissioni nel 2016, quindi molte ricerche mirano a creare biocarburanti migliori che non competano con la produzione alimentare, nutrienti del suolo o spazio. L'ultima generazione di biocarburanti si concentra su microalghe ingegnerizzate, che hanno un alto contenuto di grassi e carboidrati, crescono rapidamente e sono relativamente robusti. L'alterazione delle loro vie metaboliche consente loro di fotosintetizzare in modo più efficiente, produrre più petrolio, assorbire più carbonio, ed essere più resistenti in modo che il loro numero possa essere scalato.

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.

Nel 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. Da allora, 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, who recently defended his Ph.D. 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), platinum and 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, quale, 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

Negli Stati Uniti., 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."

Inoltre, 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.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione dell'Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.