Erfahren Sie mehr über die synthetische Biologie, eine Wissenschaft, die Organismen synthetisieren kann, um das zu produzieren, was wir wollen, und wie es sich auf die Umwelt auswirken kann

Bill Oxford im Unsplash-Bild

Spinnen und Insekten produzieren die Kleidung, die Sie tragen? Es klingt seltsam, aber es gibt bereits Unternehmen, die dies tun. Die Forscher untersuchten die DNA der Spinnen und analysierten, wie sie Seidenfasern produzieren. So gelang es ihnen, im Labor eine Faser aus Wasser, Zucker, Salz und Hefe zu reproduzieren, die unter dem Mikroskop die gleichen chemischen Eigenschaften wie die natürliche aufweist. Es gibt auch schon "Kuhmilch", die nicht von der Kuh stammt und sogar ein Filament, das stärker ist als der Stahl, der aus der viskosen Substanz eines Fisches hergestellt wird. All dies sind Beispiele für die Anwendung der synthetischen Biologie.

Synthetische Biologie

Ende des 20. Jahrhunderts begann eine biotechnologische Revolution, in der neue Aspekte der Biologie auftauchten. Die synthetische Biologie ist ein Bereich, der seit seinem offiziellen Erscheinen im Jahr 2003 an Bedeutung gewonnen hat und dessen Hauptanwendungsmöglichkeiten in Industrie, Umwelt und menschlicher Gesundheit bestehen.

Die Definition der synthetischen Biologie ergibt sich aus der Integration verschiedener Forschungsbereiche (Chemie, Biologie, Ingenieurwesen, Physik oder Informatik) in die Konstruktion neuer biologischer Komponenten, einschließlich der Neugestaltung bereits existierender natürlicher biologischer Systeme. Die Verwendung der rekombinanten DNA-Technologie (eine DNA-Sequenz aus verschiedenen Quellen) ist keine Herausforderung für die synthetische Biologie, da dies bereits geschieht. Die Wette besteht darin, Organismen zu entwerfen, die den aktuellen Bedürfnissen der Menschheit entsprechen.

Ein Verbündeter der synthetischen Biologie ist die Biomimikry, die nach Lösungen für unsere von der Natur inspirierten Bedürfnisse sucht. Mit der synthetischen Biologie wird es möglich sein, ganze Systeme nachzubilden, nicht nur einen Teil.

Im Jahr 2010 erlangte die synthetische Biologie Bekanntheit. In diesem Jahr gelang es dem amerikanischen Wissenschaftler John Craig Venter, etwas Geniales zu erreichen: Er schuf den ersten Organismus mit künstlichem Leben in einem Labor in der Geschichte. Er schuf selbst keine neue Lebensform, sondern „prägte“ die aus digitalen Daten erzeugte DNA ein, führte sie in ein lebendes Bakterium ein und wandelte sie in die synthetische Version der Mycoplasma mycoides- Bakterien um . Venter behauptet, dies sei der "erste lebende Organismus, dessen Vater ein Computer ist".

Heute gibt es im Internet eine Datenbank mit Tausenden von zu druckenden DNA-Rezepten, Biobricks . Bakterien mit einem synthetischen Genom verhalten sich genauso wie ihre natürliche Version. Auf diese Weise können wir Bakterien neu programmieren und sie so verhalten lassen, wie wir bestimmte Materialien wie Seide und Milch herstellen möchten.

Das Unternehmen, das für die Herstellung von Seidenfasern aus der Beobachtung der am Anfang dieses Textes erwähnten Spinnen verantwortlich ist, ist Bolt Threads. Die künstliche "Kuhmilch" ist Muufri, hergestellt von zwei veganen Bioingenieuren. Es wird nach den gleichen Prinzipien wie Bier hergestellt und ist eine Mischung aus Zutaten (Enzyme, Proteine, Fette, Kohlenhydrate, Vitamine, Mineralien und Wasser). Diese "synthetische Milch" hat den gleichen Geschmack und die gleichen Nährwerte wie das Original. Das hyperresistente Filament hingegen ist die Arbeit des Labors der Benthic Labs, das aus diesem Material aus dem Hagfish verschiedene Materialien wie Seile, Verpackungen, Kleidung und Gesundheitsprodukte herstellt(Fischarten, auch als Myxini bekannt). Der DNA-Code des Fisches wird in die Bakterienkolonie eingeführt, die mit der Synthese des Filaments beginnt. Es ist zehnmal dünner als ein Haar, stärker als Nylon, Stahl und hat absorbierende und antimikrobielle Eigenschaften.

Wenn wir in der Lage sind, solche „natürlichen“ Ressourcen im Verlauf der Studien wiederherzustellen, kann die synthetische Biologie die Verwendung einiger Rohstoffe ersetzen. Somit kann diese Technologie als ein Faktor eingeführt werden, der für das Konzept der Kreislaufwirtschaft von großer Bedeutung ist, wie dies bei Technologien der Fall ist, die Ölverschmutzungen oder Bakterien absorbieren, die Plastik fressen.

Einbeziehung der synthetischen Biologie in die Kreislaufwirtschaft

Bild von Rodion Kutsaev in Unsplash

Die Kreislaufwirtschaft ist ein Strukturmodell, das einen geschlossenen Kreislauf darstellt, in dem es keine Verluste oder Verschwendung gibt. Die drei Prinzipien der Kreislaufwirtschaft laut der Ellen Macarthur Foundation sind:

Erhaltung und Erhöhung des natürlichen Kapitals, Kontrolle endlicher Bestände und Ausgleich des Flusses erneuerbarer Ressourcen;
Optimierung der Produktion von Ressourcen, zirkulierenden Produkten, Komponenten und Materialien mit dem höchsten Nutzen zu jeder Zeit, sowohl im technischen als auch im biologischen Kreislauf;
Fördern Sie die Effektivität des Systems, indem Sie negative externe Effekte aufdecken und diese in Projekten ausschließen.

Wir leben derzeit in einem linearen Produktivsystem. Wir extrahieren, produzieren, konsumieren und entsorgen. Aber natürliche Ressourcen sind begrenzt und wir müssen sie erhalten - dies ist das erste Prinzip der Kreislaufwirtschaft.

Mit der synthetischen Biologie können wir in Zukunft möglicherweise die Gewinnung bestimmter natürlicher Ressourcen ersetzen. Neben dem Schutz der Umwelt werden wir eine enorme Menge an Energie sparen und uns dem Modell von Wiege zu Wiege nähern (Wiege zu Wiege - ein System, bei dem keine Ahnung von Abfall besteht).

Materialien ersetzen

Die Fähigkeit, Bakterien zu kontrollieren und für uns arbeiten zu lassen, kann verschiedene Alternativen für Inputs oder Prozesse schaffen. Zum Beispiel: die Schaffung neuer biologisch abbaubarer Materialien, die wieder in den Kreislauf integriert werden können und nun als Nährstoffe für andere Wesen dienen, beispielsweise als Dünger für Plantagen.

Es gibt bereits einige Arten von Polymeren, die durch die synthetische Biologie hergestellt wurden, wie beispielsweise Kunststoff, der aus der Fermentation von Zucker hergestellt und auf natürliche Weise mit den im Boden vorhandenen Mikroorganismen abgebaut wird. Zur Herstellung von Biokunststoffen können auch andere Materialien verwendet werden, darunter Mais, Kartoffeln, Zuckerrohr und Holz. Es gibt auch Verpackungen aus dem Myzel (Bild unten) von Pilzen, die geformt werden können und das Styropor ersetzen.

Bild: Biologisch abbaubare Verpackungen von Ecovative Design unter Verwendung von Mycel-Biomaterial aus landwirtschaftlichen Abfällen von Mycobond sind unter (CC BY-SA 2.0) lizenziert.

Andere Anwendungen, die von der Welt evaluiert werden, befinden sich noch in der Entwicklung ... Synthetischer Kautschuk wird heute vollständig aus petrochemischen Quellen gewonnen, daher wird in der Forschung versucht, Reifen aus BioIsopren herzustellen . Die Enzyme der Pflanze werden durch Gentransfer in den Mikroorganismus eingeführt, wodurch das Isopren produziert wird. In Brasilien wird eine Methode zur Umwandlung von Methan in biologisch abbaubaren Kunststoff mittels Mikroorganismen unter kontrollierten Bedingungen untersucht. Chemische Produkte, Acryl, Impfstoffentwicklung, Behandlung landwirtschaftlicher Abfälle und Antibiotika sind Beispiele für synthetische Biologieprodukte, die wieder in den Fluss eingeführt werden können und ein zyklisches System bilden.

Um das zweite Prinzip der Kreislaufwirtschaft einzubeziehen, kann die synthetische Biologie Materialien schaffen, die widerstandsfähiger sind und eine lange Lebensdauer haben, ohne dass ständige Reparaturen, Teilewechsel oder sogar der Kauf neuer Produkte sehr häufig erforderlich sind. Es werden Materialien hergestellt, die leicht in anderen Prozessen wiederverwendet werden können, um neue Produkte herzustellen, oder die leichter recycelt werden können. Wenn all dieses hypothetische Material diese Bedingungen hätte, würden sie nicht zu Abfall werden, mit einer Verringerung der Verschmutzung und Entsorgung auf Mülldeponien, dh sie würden weiterhin zur Verwendung in Umlauf gebracht.

Die andere Seite der Geschichte

Diese Technologie ist noch sehr jung und mit der Entdeckung von immer mehr Anwendungen und Materialien, die durch Kunststoffe ersetzt werden können, nimmt die Extraktion von Ressourcen aus der Umwelt ab, so dass sie sich auf natürliche Weise erholen kann. Durch die Wiederherstellung der Widerstandsfähigkeit der Umwelt wird das Gleichgewicht wiederhergestellt und wir können auf einem nachhaltigeren Planeten leben.

Aber wie alles, was gut ist, gibt es einige Widrigkeiten. Dieser wissenschaftliche Zweig, der auch als extreme Gentechnik gilt, benötigt offizielle Beratung. Die Produkte müssen detaillierte Vorschriften und Empfehlungen enthalten, um Fehler zu vermeiden, damit die Risiken und Vorteile vor der Vermarktung offensichtlich werden. Da die ersten Experimente in der synthetischen Biologie wirtschaftlich sehr vielversprechend waren, gibt es immer noch nicht viele Einschränkungen, die ein Problem sein können.

Eine der negativen Auswirkungen, die auftreten können, ist der Verlust der biologischen Vielfalt durch die Bildung künstlicher Mikroorganismen, die unvorhersehbar in der Umwelt wirken können. Zum Beispiel: Wenn absichtlich oder nicht, wird ein synthetischer Mikroorganismus freigesetzt, der manchmal in der Natur beispiellos ist. Er kann sich als Eindringling verhalten und sich vermehren, ganze Ökosysteme deregulieren, und es ist unmöglich, alle Bakterien zu „jagen“ und aus der Umwelt zu entfernen.

In sozialer Hinsicht können arme Länder viel mehr leiden als Industrieländer. Die Verwendung von Mikroorganismen für die Massenproduktion eines bestimmten Produkts kann ganze natürliche Plantagen ersetzen und Millionen von Familien arbeitslos machen. Es werden jedoch Monokulturen benötigt, um die Bakterien zu ernähren, da ihre Energiequelle Biomasse ist.

In großem Maßstab benötigen bestimmte Produkte viel organisches Material wie Zucker. Möglicherweise werden arbeitslose Familien nur Zuckerrohr anbauen (Biokraftstoffe haben bereits erhebliche Veränderungen in der Landnutzung bewirkt), was sich unter anderem auf den Zugang zu Land, Wasser und den verstärkten Einsatz von Pestiziden auswirken kann.

Alle diese Themen stehen in direktem Zusammenhang mit der Bioethik. Die Kraft der synthetischen Biologie ist enorm. Wenn wir Organismen so gestalten, wie wir es wollen, sind sie unvorhersehbar. Daher müssen Wissenschaftler und die Gesellschaft diese Macht verantwortungsbewusst und sicher einsetzen, unterstützt von Regierungen. Dies ist immer ein kompliziertes Problem.

All diese positiven oder negativen Faktoren können der Kreislaufwirtschaft und unserem Planeten helfen oder sie behindern. Aber es gibt noch viel zu diskutieren und viel Wissen zu diesem Thema zu sammeln. Es ist nicht zu leugnen, dass die synthetische Biologie ein Trend für die Zukunft ist, aber das Wichtigste ist, zu definieren, wie diese fortschrittliche Technologie angewendet wird.

Schauen Sie sich ein kritisches Video über die Folgen der synthetischen Biologie an.