ชีววิทยาสังเคราะห์: มันคืออะไรและสัมพันธ์กับเศรษฐกิจหมุนเวียน

เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับชีววิทยาสังเคราะห์ วิทยาศาสตร์ที่สามารถสังเคราะห์สิ่งมีชีวิตเพื่อผลิตสิ่งที่เราต้องการ และวิธีการที่เกี่ยวข้องกับสิ่งแวดล้อม

ชีววิทยาสังเคราะห์

ภาพ Bill Oxford ใน Unsplash

แมงมุมและแมลงที่ผลิตเสื้อผ้าที่คุณใส่? ฟังดูแปลก แต่ก็มีบริษัทที่ทำสิ่งนี้อยู่แล้ว นักวิจัยได้ศึกษา DNA ของแมงมุมและวิเคราะห์ว่าพวกมันผลิตเส้นใยไหม ดังนั้น พวกเขาจึงสามารถสืบพันธุ์ได้ในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเส้นใยที่ทำจากน้ำ น้ำตาล เกลือ และยีสต์ ซึ่งภายใต้กล้องจุลทรรศน์มีลักษณะทางเคมีเหมือนกันกับเส้นใยธรรมชาติ นอกจากนี้ยังมี "นมวัว" ที่ไม่ได้มาจากวัวและแม้แต่เส้นใยที่แข็งแรงกว่าเหล็กกล้าที่ผลิตจากสารหนืดของปลา ทั้งหมดนี้คือตัวอย่างการประยุกต์ใช้ชีววิทยาสังเคราะห์

ชีววิทยาสังเคราะห์

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 การปฏิวัติทางเทคโนโลยีชีวภาพได้เริ่มต้นขึ้น โดยมีกลุ่มชีววิทยาใหม่ๆ เกิดขึ้น ชีววิทยาสังเคราะห์เป็นพื้นที่ที่มีชื่อเสียงตั้งแต่เปิดตัวอย่างเป็นทางการในปี 2546 และมีความเป็นไปได้ในการใช้งานหลักในอุตสาหกรรม สิ่งแวดล้อม และสุขภาพของมนุษย์

คำจำกัดความของชีววิทยาสังเคราะห์มาจากการผสมผสานงานวิจัยในสาขาต่างๆ (เคมี ชีววิทยา วิศวกรรมศาสตร์ ฟิสิกส์ หรือวิทยาการคอมพิวเตอร์) กับการสร้างองค์ประกอบทางชีววิทยาใหม่ รวมถึงการออกแบบใหม่ของระบบชีวภาพตามธรรมชาติที่มีอยู่แล้ว การใช้เทคโนโลยีรีคอมบิแนนท์ดีเอ็นเอ (ลำดับดีเอ็นเอจากแหล่งต่างๆ) ไม่ใช่ความท้าทายสำหรับชีววิทยาสังเคราะห์ อย่างที่มันเกิดขึ้นแล้ว เดิมพันคือการออกแบบสิ่งมีชีวิตที่ตอบสนองความต้องการในปัจจุบันของมนุษยชาติ

พันธมิตรของชีววิทยาสังเคราะห์คือ biomimicry ซึ่งแสวงหาคำตอบสำหรับความต้องการของเราที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติ ด้วยชีววิทยาสังเคราะห์ จะสามารถสร้างระบบขึ้นมาใหม่ทั้งหมด ไม่ใช่แค่เพียงบางส่วน

ตั้งแต่ปี 2010 ที่ชีววิทยาสังเคราะห์ได้รับความอื้อฉาว ในปีนั้น จอห์น เครก เวนเตอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ประสบความสำเร็จในสิ่งที่ชาญฉลาด: เขาสร้างสิ่งมีชีวิตในห้องปฏิบัติการที่มีชีวิตเทียมขึ้นเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ เขาไม่ได้สร้างรูปแบบชีวิตใหม่ขึ้นมาเอง แต่ "พิมพ์" DNA ที่สร้างขึ้นจากข้อมูลดิจิทัล และนำมันเข้าสู่แบคทีเรียที่มีชีวิต โดยเปลี่ยนให้เป็นเวอร์ชันสังเคราะห์ของแบคทีเรีย มัยโคพลาสมา. Venter อ้างว่านี่คือ "สิ่งมีชีวิตแรกที่พ่อแม่เป็นคอมพิวเตอร์"

วันนี้มีฐานข้อมูลบนอินเทอร์เน็ตพร้อมพิมพ์ "สูตร" DNA หลายพันรายการเรียกว่า biobricks. แบคทีเรียที่มีจีโนมสังเคราะห์ทำหน้าที่เหมือนกับในธรรมชาติของพวกมันทุกประการ และนั่นคือวิธีที่เราสามารถตั้งโปรแกรมแบคทีเรียใหม่ และทำให้มันทำหน้าที่ในแบบที่เราต้องการเพื่อผลิตวัสดุบางอย่าง เช่น ไหมและนม

บริษัทที่รับผิดชอบในการผลิตเส้นใยไหมจากการสังเกตของแมงมุมที่กล่าวถึงในตอนต้นของข้อความนี้คือ Bolt Threads "นมวัว" เทียมคือ Muufri ซึ่งสร้างสรรค์โดยนักชีววิศวกรรมมังสวิรัติสองคน ผลิตขึ้นโดยใช้หลักการเดียวกับเบียร์และเป็นส่วนผสมของส่วนผสม (เอนไซม์ โปรตีน ไขมัน คาร์โบไฮเดรต วิตามิน แร่ธาตุ และน้ำ) "นมสังเคราะห์" นี้มีรสชาติและคุณค่าทางโภชนาการเหมือนกันกับของจริง เส้นใยที่มีความทนทานสูงเป็นผลงานของห้องปฏิบัติการ Benthic Labs ซึ่งผลิตวัสดุต่างๆ เช่น เชือก บรรจุภัณฑ์ เสื้อผ้า และผลิตภัณฑ์เพื่อสุขภาพ ผ่านเส้นใยนี้จาก ปลาแฮกฟิช (ปลาชนิดหนึ่งที่เรียกว่า myxini) รหัสดีเอ็นเอของปลาถูกนำเข้าสู่กลุ่มแบคทีเรียซึ่งเริ่มสังเคราะห์เส้นใย มันบางกว่าเส้นผมสิบเท่า แข็งแรงกว่าไนลอน เหล็ก และมีคุณสมบัติในการดูดซับและต้านจุลชีพ

หากเราสามารถสร้างทรัพยากร "ธรรมชาติ" ขึ้นมาใหม่ได้ในขณะที่การศึกษาล่วงหน้า ชีววิทยาสังเคราะห์สามารถทดแทนการใช้วัตถุดิบบางอย่างได้ ดังนั้นเทคโนโลยีนี้สามารถนำมาเป็นปัจจัยที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแนวคิดเศรษฐกิจหมุนเวียน เช่นเดียวกับกรณีของเทคโนโลยีที่ดูดซับน้ำมันหกหรือแบคทีเรียที่กินพลาสติก

ผสมผสานชีววิทยาสังเคราะห์เข้ากับเศรษฐกิจหมุนเวียน

ชีววิทยาสังเคราะห์

ภาพ Rodion Kutsaev ใน Unsplash

เศรษฐกิจหมุนเวียนคือแบบจำลองเชิงโครงสร้างที่แสดงถึงวัฏจักรปิด ซึ่งไม่มีการสูญเสียหรือสูญเปล่า หลักการสามประการของเศรษฐกิจหมุนเวียนตามมูลนิธิ Ellen Macarthur คือ:

  1. รักษาและเพิ่มทุนธรรมชาติ ควบคุมสต็อกที่มีจำกัด และปรับสมดุลการไหลของทรัพยากรหมุนเวียน
  2. เพิ่มประสิทธิภาพการผลิตทรัพยากร หมุนเวียนผลิตภัณฑ์ ส่วนประกอบ และวัสดุที่ใช้ประโยชน์สูงสุดตลอดเวลา ทั้งในวงจรทางเทคนิคและชีวภาพ
  3. ส่งเสริมประสิทธิภาพของระบบ เปิดเผยสิ่งภายนอกที่เป็นลบ และไม่รวมไว้ในโครงการ

ขณะนี้เราอาศัยอยู่ในระบบการผลิตเชิงเส้น เราสกัด ผลิต บริโภค และกำจัด แต่ทรัพยากรธรรมชาติมีจำกัด และเราต้องอนุรักษ์ไว้ - นี่คือหลักการข้อแรกของเศรษฐกิจหมุนเวียน

ด้วยชีววิทยาสังเคราะห์ ในอนาคต เราอาจจะสามารถทดแทนการสกัดทรัพยากรธรรมชาติบางอย่างได้ นอกจากการรักษาสิ่งแวดล้อมแล้ว เราจะประหยัดพลังงานได้มาก และเข้าใกล้โมเดลแบบเปลถึงเปลมากขึ้น (เปลเพื่อเปล - ระบบที่ไม่มีความคิดเรื่องขยะ)

เปลี่ยนวัสดุ

ความสามารถในการควบคุมแบคทีเรียและทำให้พวกมันทำงานแทนเรา สามารถสร้างปัจจัยหรือกระบวนการทางเลือกที่แตกต่างกันได้ ตัวอย่างเช่น: การสร้างวัสดุใหม่ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพซึ่งสามารถรวมกลับเข้าสู่วัฏจักร ซึ่งปัจจุบันทำหน้าที่เป็นสารอาหารสำหรับสิ่งมีชีวิตอื่นๆ เป็นปุ๋ยสำหรับพืชผล

มีพอลิเมอร์บางชนิดที่สร้างขึ้นโดยชีววิทยาสังเคราะห์อยู่แล้ว เช่น พลาสติกที่ทำจากน้ำตาลหมักและย่อยสลายตามธรรมชาติด้วยจุลินทรีย์ในดิน วัสดุอื่นๆ สามารถใช้ในการผลิตพลาสติกชีวภาพได้ เช่น ข้าวโพด มันฝรั่ง อ้อย ไม้ เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีแพ็คเกจที่ทำจากไมซีเลียมเห็ด (ภาพด้านล่าง) ที่สามารถขึ้นรูปและเปลี่ยนโฟมได้

บรรจุภัณฑ์จากเห็ด

ภาพ: บรรจุภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพโดยการออกแบบเชิงนิเวศน์โดยใช้วัสดุชีวภาพจากเส้นใยจากขยะทางการเกษตรโดย mycobond ได้รับอนุญาตภายใต้ (CC BY-SA 2.0)

การใช้งานอื่นๆ ที่กำลังได้รับการประเมินทั่วโลกยังคงอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา... ยางสังเคราะห์ในปัจจุบันได้มาจากแหล่งปิโตรเคมีทั้งหมด การวิจัยจึงพยายามสร้างยางที่ทำจากยางสังเคราะห์ ไบโอไอโซพรีน. เอนไซม์จากพืชถูกนำเข้าสู่จุลินทรีย์โดยการถ่ายโอนยีน ทำให้เกิดไอโซพรีน ในบราซิล กำลังศึกษาวิธีการเปลี่ยนก๊าซมีเทนให้เป็นพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพโดยใช้จุลินทรีย์ภายใต้สภาวะควบคุม สารเคมี อะคริลิก การพัฒนาวัคซีน การบำบัดของเสียทางการเกษตร ยาปฏิชีวนะ เป็นต้น เป็นตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ชีววิทยาสังเคราะห์ที่สามารถใส่กลับเข้าไปในกระแสน้ำได้ ทำให้เกิดระบบวัฏจักร

เพื่อรวมหลักการที่สองของเศรษฐกิจหมุนเวียน ชีววิทยาสังเคราะห์สามารถสร้างวัสดุที่มีความทนทานและใช้งานได้ยาวนานขึ้น โดยไม่ต้องการการซ่อมแซมอย่างต่อเนื่อง การเปลี่ยนชิ้นส่วน หรือแม้แต่การซื้อผลิตภัณฑ์ใหม่บ่อยมาก วัสดุถูกผลิตขึ้นที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ง่ายในกระบวนการอื่น เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ใหม่ หรือรีไซเคิลได้ง่ายกว่า หากวัสดุสมมติเหล่านี้มีเงื่อนไขเหล่านี้ พวกมันจะไม่กลายเป็นของเสีย ด้วยมลพิษและการกำจัดในหลุมฝังกลบที่ลดลง กล่าวคือ พวกมันจะยังคงหมุนเวียนเพื่อการใช้งานต่อไป

อีกด้านหนึ่งของเรื่อง

เทคโนโลยีนี้ยังเป็นเทคโนโลยีที่ใหม่มาก และด้วยการค้นพบการใช้และวัสดุที่ทดแทนได้ด้วยการสังเคราะห์มากขึ้นเรื่อยๆ การดึงทรัพยากรจากสิ่งแวดล้อมก็ลดลง ทำให้สามารถกู้คืนได้ตามธรรมชาติ การฟื้นฟูสมดุลของสิ่งแวดล้อมกลับคืนมา และเราจะสามารถมีชีวิตอยู่บนโลกใบนี้ที่ยั่งยืนมากขึ้น

แต่เหมือนทุกอย่างที่ดีมีอัตราต่อรองอยู่บ้าง สาขาวิทยาศาสตร์นี้ ซึ่งถือเป็นพันธุวิศวกรรมขั้นรุนแรงเช่นกัน ต้องการความคิดเห็นอย่างเป็นทางการ ผลิตภัณฑ์จะต้องมีระเบียบข้อบังคับและคำแนะนำโดยละเอียดเพื่อหลีกเลี่ยงโอกาสที่จะเกิดข้อผิดพลาด เพื่อให้ความเสี่ยงและผลประโยชน์ปรากฏชัดก่อนที่จะนำไปจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ เนื่องจากการทดลองเบื้องต้นในชีววิทยาสังเคราะห์มีแนวโน้มที่ดีทางเศรษฐกิจ จึงยังไม่มีข้อจำกัดมากมาย ซึ่งอาจเป็นปัญหาได้

ผลกระทบด้านลบประการหนึ่งที่อาจเกิดขึ้นได้คือการสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพด้วยการสร้างจุลินทรีย์เทียมที่สามารถทำหน้าที่คาดเดาไม่ได้ในสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่น: หากตั้งใจหรือไม่ปล่อยจุลินทรีย์สังเคราะห์ซึ่งบางครั้งไม่เคยได้ยินในธรรมชาติก็สามารถทำตัวเหมือนผู้บุกรุกและแพร่กระจายรบกวนระบบนิเวศทั้งหมดและเป็นไปไม่ได้ที่จะ "ตามล่า" และกำจัดแบคทีเรียทั้งหมดออกจาก สิ่งแวดล้อม.

ในประเด็นทางสังคม ประเทศที่ยากจนสามารถทนทุกข์ได้มากกว่าประเทศที่พัฒนาแล้ว การใช้จุลินทรีย์เพื่อการผลิตจำนวนมากของผลิตภัณฑ์บางชนิดสามารถทดแทนพืชผลทางธรรมชาติทั้งหมดได้ ทำให้หลายล้านครอบครัวตกงาน อย่างไรก็ตาม จะมีความจำเป็นสำหรับพืชเชิงเดี่ยวในการเลี้ยงแบคทีเรีย เนื่องจากแหล่งพลังงานของพวกมันคือชีวมวล

ในปริมาณมาก ผลิตภัณฑ์บางชนิดจะต้องใช้อินทรียวัตถุจำนวนมาก เช่น น้ำตาล เป็นไปได้ว่าครอบครัวที่ว่างงานจะเริ่มปลูกอ้อยเท่านั้น (เชื้อเพลิงชีวภาพทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในการใช้ที่ดินแล้ว) ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อการเข้าถึงที่ดิน น้ำ และการใช้สารกำจัดศัตรูพืชที่เพิ่มขึ้น และอื่นๆ อีกมากมาย

คำถามเหล่านี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับจริยธรรมทางชีวภาพ พลังของชีววิทยาสังเคราะห์นั้นมหาศาล การออกแบบสิ่งมีชีวิตในแบบที่เราต้องการทำให้คาดเดาไม่ได้ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์และสังคมจึงต้องใช้พลังนี้อย่างรับผิดชอบและปลอดภัยด้วยการสนับสนุนจากรัฐบาล นี่เป็นคำถามที่ยุ่งยากเสมอ

ปัจจัยบวกหรือลบเหล่านี้สามารถช่วยหรือทำร้ายเศรษฐกิจหมุนเวียนและโลกของเราได้ แต่ยังมีอีกหลายสิ่งที่ต้องถกเถียงและมีความรู้มากมายที่จะหยิบยกขึ้นมาในเรื่องนี้ ปฏิเสธไม่ได้ว่าชีววิทยาสังเคราะห์เป็นเทรนด์สำหรับอนาคต แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการกำหนดว่าเทคโนโลยีขั้นสูงนี้จะนำไปใช้อย่างไร

ดูวิดีโอสำคัญเกี่ยวกับผลที่ตามมาของชีววิทยาสังเคราะห์