La mayor parte de la ciencia ambiental se centra en cómo retroceder el tiempo, no empujarlo hacia adelante, dice Ben Bostick, geoquímico del Observatorio Terrestre Lamont-Doherty. "Pensamos en cómo podemos revertir nuestra huella, y no tanto sobre cómo podemos hacer que nuestra huella sea más grande de una manera positiva, ", dijo." Pero hay muchos ejemplos de biología sintética que creo que en realidad tienen mucho potencial en el medio ambiente. Piense en cómo podemos ayudar a nuestro medio ambiente simplemente haciendo cosas como mejorar los materiales que fabricamos usando biología sintética ".

La biología sintética (synbio) es la construcción de componentes biológicos, como enzimas y células, o funciones y organismos que no existen en la naturaleza, o su rediseño para realizar nuevas funciones. Los biólogos sintéticos identifican secuencias de genes que dan a los organismos ciertos rasgos, crearlos químicamente en un laboratorio, luego insértelos en otros microorganismos, como E. coli, para que produzcan las proteínas deseadas, características o funciones.

Desde 2011, cuando escribí una introducción general a synbio, el campo ha crecido rápidamente.

Una de las razones de esto es el desarrollo de la herramienta de edición de genes CRISPR-Cas9, utilizado por primera vez en 2013, que ubica, corta y reemplaza el ADN en lugares específicos. Otra razón es lo fácil que se ha vuelto utilizar el Registro de partes biológicas estándar, que cataloga más de 20, 000 partes genéticas o BioBricks que se pueden pedir y utilizar para crear nuevos organismos o sistemas sintéticos.

En 2018, los inversores invirtieron 3.800 millones de dólares y los gobiernos de todo el mundo invirtieron 50 millones de dólares en empresas synbio. Para 2022, Se prevé que el mercado mundial de aplicaciones synbio sea de 13.900 millones de dólares. Pero la biología sintética sigue siendo controvertida porque implica alterar la naturaleza y su potencial y riesgos no se comprenden completamente.

Bostick, que trabaja para remediar la contaminación por arsénico de las aguas subterráneas estimulando las bacterias naturales para producir sustancias a las que se adhiere el arsénico, explicó que, De hecho, toda la comunidad biológica que trabaja con organismos altera los sistemas biológicos todo el tiempo, pero no cambie el material genético ni los organismos. Los científicos eliminan las enzimas, insertar nuevos, y cambiar diferentes cosas para comprender el mundo natural "Esas son técnicas estándar ahora, pero se realizan de forma mecánica, ", dijo." Si quieres ver cómo funciona una proteína, ¿A qué te dedicas? De hecho, lo cambia, así es exactamente como hemos estudiado nuestro entorno. Son sintéticos y son alteraciones biológicas, pero simplemente no se hacen con el propósito que define la biología sintética ". Synbio es más controvertido porque su propósito es construir sistemas biológicos artificiales que aún no existen en el mundo natural.

Sin embargo, La biología sintética está produciendo algunas posibles soluciones a nuestros problemas ambientales más intratables. Aquí hay unos ejemplos.

Lidiando con la contaminación

Los microbios se han utilizado para detectar, identificar y cuantificar los contaminantes ambientales durante décadas. Ahora, los biosensores microbianos sintetizados pueden apuntar a toxinas específicas como el arsénico, cadmio, mercurio, nitrógeno, amonio, nitrato, fósforo y metales pesados, y responder de diversas formas. Pueden diseñarse para generar un electroquímico, térmico, señal acústica o bioluminiscente al encontrar el contaminante designado.

Algunos microbios pueden descontaminar el suelo o el agua de forma natural. Sintetizar ciertas proteínas y transferirlas a estas bacterias puede mejorar su capacidad para unirse o degradar metales pesados ​​o radionúclidos. A una bacteria del suelo se le dieron nuevos circuitos reguladores que la dirigen a consumir químicos industriales como alimento. Investigadores en Escocia están diseñando bacterias para convertir metales pesados ​​en nanopartículas metálicas, que se utilizan en medicina, industria y combustibles.

CustoMem en el Reino Unido utiliza biología sintética para crear un material granular que atrae y se adhiere a microcontaminantes como pesticidas, productos farmacéuticos, y ciertos productos químicos en las aguas residuales. Y los investigadores australianos están intentando crear una estructura multicelular a la que llaman "medusa sintética" que podría liberarse después de un derrame tóxico para descomponer los contaminantes.

Preservando la biodiversidad

Los castaños americanos dominaron la costa este de los EE. UU. Hasta 1876, cuando un hongo transportado por semillas de castaño importadas los devastó, dejando menos del uno por ciento para 1950. Para hacer árboles resistentes al tizón, los científicos han insertado un gen del trigo en embriones de castaño, permitiéndoles producir una enzima que desintoxica el hongo. Es probable que este castaño se convierta en el primer organismo genéticamente modificado que se libere en la naturaleza una vez que sea aprobado por el Departamento de Agricultura. la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA).

Revivir y restaurar, una organización que utiliza técnicas genéticas para preservar la biodiversidad, está intentando rescatar al hurón de patas negras en peligro de extinción, que es susceptible a la peste selvática. Porque el hurón doméstico no lo es, Los científicos están estudiando la posibilidad de encontrar los genes que le dan resistencia al hurón doméstico y editarlos en el genoma del hurón de patas negras. La investigación comenzará con cultivos celulares en el laboratorio.

Los impulsores genéticos son mecanismos que propagan un rasgo genético deseado a través de una población para controlar las especies invasoras. Recientemente se consideró un impulso genético para controlar el mejillón dorado, que ha invadido aguas sudamericanas y latinoamericanas. Después de identificar los genes relacionados con la reproducción y la infertilidad en los mejillones dorados, Los científicos propusieron usar CRISPR-Cas9 para editar el genoma del mejillón y hacer que las hembras fueran infértiles. Los mejillones genéticamente modificados se criarían con mejillones silvestres en el laboratorio, creando embriones modificados que podrían liberarse en la naturaleza para propagar la infertilidad en toda la población. Un impulso genético para eliminar los mosquitos que transmiten la malaria ha funcionado en el laboratorio, pero todavía no se ha probado en el campo ningún impulsor genético diseñado.

Algunos científicos también están trabajando para modificar los genomas de los corales para darles más resistencia al calentamiento de las temperaturas del océano. contaminación y acidificación de los océanos. Otros han propuesto modificar los genes de las cianobacterias que afectan la humedad en la corteza del suelo de ecosistemas semidesérticos para que el suelo retenga más agua y pueda crecer más vegetación.

Alimentando al mundo

Dado que se espera que la población mundial alcance los 10 mil millones para 2050, la demanda mundial de alimentos podría aumentar entre un 59 y un 98 por ciento. Impactos del cambio climático:temperaturas más altas, clima extremo, sequía, los crecientes niveles de dióxido de carbono y el aumento del nivel del mar están poniendo en peligro la cantidad y calidad de nuestros suministros de alimentos.

Mejorando la agricultura

Investigadores de la Universidad de California, San Diego descubrió que cuando las plantas se encuentran en condiciones secas, liberan una hormona que cierra los poros de la planta para retener el agua, ralentiza su crecimiento y mantiene las semillas inactivas. Esa hormona es cara de sintetizar sin embargo, por lo que los científicos trabajaron con receptores desarrollados sintéticamente en plantas de tomate que respondieron de una manera similar de conservación de agua a un fungicida de uso común en su lugar, haciendo que las plantas sean más resistentes a la sequía.

Los científicos del Instituto Salk han identificado los genes que fomentan que el sistema de raíces de una planta crezca más profundamente en el suelo. Planean diseñar vías genéticas para impulsar raíces más profundas, que permitirá a las plantas de cultivo resistir el estrés, secuestran más carbono y enriquecen el suelo.

Los microbios que viven con las legumbres les dan la capacidad de convertir el nitrógeno de la atmósfera en nutrientes que la planta necesita para crecer. Sin embargo, porque otras plantas no pueden asimilar nitrógeno de forma natural, los agricultores han utilizado tradicionalmente fertilizantes químicos. La producción de fertilizantes, hecho principalmente de combustibles fósiles, resulta en emisiones de gases de efecto invernadero y eutrofización. Como alternativa, Pivote Bio, una empresa de California, diseñó los genes de un microbio que vive en las raíces del maíz, plantas de trigo y arroz para permitir que el microbio extraiga nitrógeno del aire y lo alimente a una planta a cambio de nutrientes. En pruebas de campo, su microbio productor de nitrógeno para el maíz produjo 7.7 bushels por acre más que los campos fertilizados químicamente.

Nuevos alimentos

Agricultura, incluida la cría de ganado, es responsable de aproximadamente el 8 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de EE. UU. Se utilizan microbios genéticamente modificados para producir alimentos más sostenibles. ético y potencialmente más saludable. Motif Ingredients está desarrollando ingredientes proteicos alternativos sin agricultura animal. Utiliza microbios diseñados para producir proteínas alimentarias que se pueden adaptar para imitar sabores o texturas similares a las que se encuentran en la carne de res y los lácteos.

La hamburguesa a base de plantas de Impossible Foods contiene hemo sintetizado, la molécula que contiene hierro que se encuentra en animales y plantas y que le da a la carne su sabor sanguinolento. Para hacerlo, los científicos agregaron un gen vegetal a la levadura, cuales, después de la fermentación, produjo grandes cantidades de la proteína hemo. Impossible Burger utiliza un 75 por ciento menos de agua y un 95 por ciento menos de tierra que una hamburguesa de ternera normal, y produce un 87 por ciento menos de emisiones de gases de efecto invernadero.

A medida que crece la demanda de productos del mar a nivel mundial (las poblaciones de pesca ya están sobreexplotadas en un 90 por ciento), también lo hace la necesidad de harina de pescado, los gránulos de proteína hechos de pequeños peces molidos y granos que alimentan tanto a los peces de cultivo como al ganado. NovoNutrients, con sede en California, usa CO ₂ desde emisiones industriales para alimentar bacterias creadas en laboratorio, que luego producen proteínas similares a los aminoácidos que obtienen los peces al comer peces más pequeños; las bacterias reemplazan la harina de pescado, proporcionar al pescado proteínas y otros nutrientes.

Creando productos más ecológicos

Combustibles

La quema de combustibles fósiles para obtener energía representó el 94 por ciento del CO antropogénico total de EE. UU. ₂ emisiones en 2016, por lo que mucha investigación tiene como objetivo crear mejores biocombustibles que no compitan con la producción de alimentos, nutrientes del suelo o espacio. La última generación de biocombustibles se centra en microalgas modificadas, que tienen un alto contenido de grasas y carbohidratos, crecen rápidamente y son relativamente robustos. Altering their metabolic pathways enables them to photosynthesize more efficiently, produce more oil, absorb more carbon, 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.

Materiales

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. Desde entonces, 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, cuales, 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

In the U.S., 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."

Moreover, 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.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de Earth Institute, Universidad de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.