Τηλεμεταφερόμενα μόρια, προσαρμοσμένα γονιδιώματα και άλλες καινοτομίες που θα προσφέρουν τις μεγαλύτερες υποσχέσεις της τεχνολογίας.

Η συνθετική βιολογία - φτιάχνει πράγματα από το μηδέν από βιολογικά συστατικά - ευδοκιμεί εδώ και δεκαετίες. Αλλά τώρα, οι βελτιώσεις στην ανάλυση αλληλουχίας και σύνθεσης DNA οδηγούν τους συνθετικούς βιολόγους να κάνουν μεγαλύτερες, πιο τολμηρές και πιο εύλογες προτάσεις για την επίλυση ορισμένων από τα μεγαλύτερα προβλήματα της ανθρωπότητας.

Οι φαρμακευτικές, οι ενεργειακές και οι γεωργικές εταιρείες έχουν χρησιμοποιήσει σε μεγάλο βαθμό τη γενετική μηχανική για την κατασκευή μορίων δύσκολων προς κατασκευή. Σήμερα, ωστόσο, η συνθετική βιολογία είναι έτοιμη να δημιουργήσει πολλά πράγματα που δεν θα ήταν δυνατόν διαφορετικά σε εφαρμογές τόσο διαφορετικές όπως τα λιπάσματα φυτών, τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα και η αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων.

«Νομίζω ότι το DNA θα είναι το πιο σημαντικό υλικό του 21ου αιώνα», λέει η Emily Leproust, Διευθύνων Σύμβουλος της Twist Bioscience, η οποία κατασκευάζει προσαρμοσμένα σκέλη DNA που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διάφορους σκοπούς, συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικά πυκνής αποθήκευσης δεδομένων. «Ο τελευταίος αιώνας αφορούσε τους υπολογιστές και τώρα μπαίνουμε σε μια εποχή της βιολογίας».

Η Google, η Amazon, η Procter & Gamble, η Apple και το IKEA έστειλαν εκπροσώπους στο πρόσφατο συνέδριο SynBioBeta 7.0 στο Σαν Φρανσίσκο. «Όλες αυτές οι εταιρείες που δεν θα περίμενε κανείς να δουν σε ένα συνέδριο συνθετικής βιολογίας τώρα ζητούν να κάνουν προσφορές, συνεργασίες, για να ενταχθούν σε αυτή τη νέα βιομηχανία», λέει ο συνιδρυτής της SynBioBeta John Cumbers.

«Αν σκεφτείς τη δεκαετία του 1960, όταν επινοήσαμε το τρανζίστορ και μετά περάσαμε από την ιστορία της Silicon Valley, του μικροεπεξεργαστή, του Διαδικτύου, του Διαδικτύου - τώρα το 25 τοις εκατό της παγκόσμιας οικονομίας βασίζεται σε αυτήν την τεχνολογία», Cumbers λέει. «Είναι δύσκολο να πούμε το χρονοδιάγραμμα, αλλά ας πούμε στα επόμενα 25 χρόνια, η στοίβα της βιολογίας και το ποσό της αξίας που έχει χτιστεί πάνω από αυτό θα είναι σίγουρα περισσότερο από το 25 τοις εκατό της παγκόσμιας οικονομίας».

Λοιπόν, τι φασαρία; Ακολουθούν έξι από τις τάσεις και τις εξελίξεις που αξίζει να παρακολουθήσετε τα επόμενα χρόνια:

Η απορροή από λιπάσματα αζώτου είναι μια σημαντική πηγή ρύπανσης των υδάτων και ένα επίμονο περιβαλλοντικό πρόβλημα. Τι γίνεται αν δεν χρειαζόταν να εφαρμόσουμε τόσο λίπασμα;

Ορισμένα φυτά, όπως τα μπιζέλια και η σόγια, φτιάχνουν το δικό τους λίπασμα - ή περισσότερο στο σημείο αυτό, τα μικρόβια που ευδοκιμούν σε αυτά τα φυτά το κάνουν για αυτά "στερεώνοντας" το άζωτο που βρίσκεται στον αέρα στο έδαφος. Αυτά τα βακτήρια δεν τα πηγαίνουν καλά σε άλλες κοινές καλλιέργειες, έτσι οι συνθετικοί βιολόγοι θα προσπαθήσουν να το κάνουν αυτό. Ένα ξεκίνημα που ονομάζεται Ginkgo Bioworks και ο χημικός γίγαντας Bayer θέτουν 100 εκατομμύρια δολάρια σε μια συνεργασία για την ανάπτυξη συνθετικών οργανισμών που παρέχουν άζωτο στις ρίζες των φυτών, μειώνοντας την ανάγκη για λιπάσματα. Εν τω μεταξύ, το Pivot Bio προσπαθεί να ενισχύσει τις ικανότητες στερέωσης αζώτου των μικροβίων. «Αυτό που όλοι θα ήθελαν να δουν με μικρόβια είναι ένας ανανεώσιμος και βιώσιμος τρόπος παραγωγής αυτού του λιπάσματος», λέει ο Karsten Temme, Διευθύνων Σύμβουλος της Pivot Bio. "Ήταν πραγματικά ένας μακροπρόθεσμος, αόριστος στόχος για το γήπεδο."

Ένας ιός της γρίπης μπορεί να εξαπλωθεί σε όλο τον κόσμο μέσα σε λίγες μέρες, αλλά τα εμβόλια γρίπης συνήθως υστερούν πολύ πίσω από νέα στελέχη. Για να δημιουργήσουν ένα νέο εμβόλιο, οι ερευνητές πρέπει να εντοπίσουν το αναδυόμενο στέλεχος, να το κουτί και να το στείλουν σε μια εταιρεία ανάπτυξης εμβολίων, η οποία εγχέει τα ιικά σωματίδια σε αυγά κοτόπουλου για να δημιουργήσει μεγάλες ποσότητες αντισωμάτων και στη συνέχεια συσκευάζει αυτά ως εμβόλια. Η όλη διαδικασία διαρκεί τουλάχιστον ένα μήνα, συχνά περισσότερο. Τι γίνεται όμως αν οι προγραμματιστές εμβολίων θα μπορούσαν να μειώσουν τον χρόνο ταξιδιού στέλνοντας ιογενές DNA τόσο εύκολα όσο στέλνουν ένα email;

Η εταιρεία Synthetic Genomics της Craig Venter άρχισε πρόσφατα να εκδίδει το BioXP, μια μηχανή που μπορεί να "εκτυπώσει" ψηφιοποιημένα δεδομένα ακολουθίας ως κλώνοι DNA ή RNA και να τα προσθέσει σε βακτήρια. Η εκτύπωση γονιδίων με μηχανές BioXP εξακολουθεί να απαιτεί προσαρμοσμένα κιτ συστατικών - τα περισσότερα βιολογικά εργαστήρια δεν θα έχουν τις σωστές χημικές ουσίες στις σωστές ποσότητες στο χέρι, οπότε οι ερευνητές παραγγέλνουν σετ συστατικών από τη Synthetic Genomics εκ των προτέρων. Αλλά αργότερα οι ενσαρκώσεις βιολογικών σε ψηφιακών μετατροπέων ενδέχεται να είναι σε θέση να αναδημιουργήσουν ολόκληρους ιούς από ψηφιακά δεδομένα που αποστέλλονται ως συνημμένα email. Είναι παρόμοιο με την τηλεμεταφορά μορίων.

Ο αντιπρόεδρος της Synthetic Genomics της τεχνολογίας DNA, Dan Gibson, οραματίζεται ένα μέλλον όπου οι μετατροπείς ψηφιακού σε βιολογικό θα γίνουν συνηθισμένοι στα νοσοκομεία, επιτρέποντας στους γιατρούς να «εκτυπώσουν» προσαρμοσμένα φάρμακα για τους ασθενείς. «Υπάρχει απλώς ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών: φάρμακα, βιοχημικά, βιοκαύσιμα», λέει. "Το DNA είναι πραγματικά η αρχή της δημιουργίας οτιδήποτε από το RNA σε πρωτεΐνη έως ολόκληρα βακτηριακά γονιδιώματα."

Κατά τη διοργάνωση του συνεδρίου SynBioBeta, ο Cumbers παρατήρησε ένα κοινό θέμα στις εταιρείες των νεοεισερχόμενων: ​​το φαγητό. Συγκεκριμένα, συνθετικές εκδόσεις ζωικών προϊόντων πλούσιων σε πρωτεΐνες.

Η ιδέα του κρέατος και των γαλακτοκομικών προϊόντων που καλλιεργήθηκε υπήρχε εδώ και χρόνια, αλλά το 2017 σημείωσε σημαντική αύξηση στη χρηματοδότηση εταιρειών σύνθετων τροφίμων που παράγουν γεωργικά προϊόντα από κύτταρα και μικρόβια. Αυτές οι εταιρείες στοιχηματίζουν ότι μπορούν να ικανοποιήσουν την ανερχόμενη ζήτηση στον κόσμο για κρέας, αυγά, ψάρια και τυρί με βιώσιμο και κερδοφόρο τρόπο. Ενώ εταιρείες όπως το Memphis Meats και το Finless Foods αναπτύσσουν εργαστήρια που προορίζονται για κατανάλωση από τον άνθρωπο, άλλες εταιρείες εργάζονται για να καταστήσουν τις ιχθυοκαλλιέργειες πιο βιώσιμες και τα ψάρια εντός αυτών να είναι πιο υγιή. Το Microsynbiotix είναι γενετικά μηχανικά φύκια για την παραγωγή βρώσιμων εμβολίων για την προστασία των εκτρεφόμενων ψαριών.

Τείνουμε να θεωρούμε το μπλε του τζιν μας δεδομένο, αλλά οι βιομηχανικές βαφές που εμποδίζουν τα ρούχα μαζικής παραγωγής με το χρώμα τους δεν είναι αστείο. Οι εργαζόμενοι που εισπνέουν αναθυμιάσεις βαφής συχνά έχουν προβλήματα στους πνεύμονες και τα κλωστοϋφαντουργικά φυτά είναι μια από τις κορυφαίες πηγές ρύπανσης των υδάτων παγκοσμίως.

Ωστόσο, ο σχεδιαστής Natsai Chieza βλέπει μια πιθανή λύση στους πολύχρωμους λεκέδες που αφήνουν τα μικρόβια. Χρησιμοποιεί βακτηριακές καλλιέργειες για να βάψει κασκόλ με πολύχρωμα μοτίβα. Στον τρέχοντα ρόλο της ως σχεδιαστής-σε-κατοικία στο Ginkgo Bioworks, συνεργάζεται με επιστήμονες για να βρει τρόπους για να αυξήσει τη διαδικασία.

Στο μέλλον, οι συνθετικοί οργανισμοί μπορούν επίσης να υφανθούν στο ύφασμα των ρούχων μας. Μια επιχείρηση που ονομάζεται bioLogic, με επικεφαλής τον Lining Yao και εδρεύει στο MIT Media Lab, χρησιμοποιεί βακτήρια που επεκτείνονται όταν συναντούν υγρασία για να φτιάξουν ένα ύφασμα που αντιδρά στον ιδρώτα ανοίγοντας «αεραγωγούς» στο ύφασμα.

Οι συνθετικοί βιολόγοι που παίζουν με βακτήρια έχουν περιορισμένη εργαλειοθήκη. Γενικά λειτουργούν με το βακτήριο E. coli. Εάν θέλετε ένα γονίδιο να μεταφραστεί σε μια πρωτεΐνη, κλωνοποιήστε το και τοποθετήστε το στο E. coli είναι η παραδοσιακή λογική. Το E. coli είναι το είδος που ο εργαστηριακός εξοπλισμός κατασκευάζεται για να χειριστεί. Αλλά τι γίνεται αν το γονίδιο που θέλετε να προσθέσετε δεν ταιριάζει με τον γενετικό μηχανισμό του E. coli; Το γονίδιο μπορεί να λειτουργεί καλύτερα σε διαφορετικό οργανισμό.

Εάν οι συνθετικοί βιολόγοι μπορούσαν να επωφεληθούν από τα φυσικά ταλέντα των περισσότερων ειδών, θα μπορούσαν να καλλιεργήσουν βιολογικά εργοστάσια με υψηλότερες αποδόσεις από το E.coli και θα μπορούσαν να εμφανιστούν πολλά νέα προϊόντα συνθετικής βιολογίας, λέει η Sarah Richardson, συνιδρυτής της MicroByre. Για να διευκολύνει τους επιστήμονες να χειριστούν άλλα είδη βακτηρίων, η MicroByre αναπτύσσει εργαστηριακό εξοπλισμό που μπορεί να φιλοξενήσει άλλα μικρόβια. «Είναι απολύτως ένα ατύχημα της ιστορίας που [E.coli] είναι αυτό που επικεντρώσαμε», λέει. «Τραβήσαμε κυριολεκτικά από τα άκρα μας».

Το να παίρνεις τα γονίδια των βακτηρίων είναι ένα πράγμα. Τι θα μπορούσατε να κάνετε προγραμματίζοντας βακτήρια - ή πιο περίπλοκους οργανισμούς - εξ ολοκλήρου από το μηδέν;

Αυτή η μεγάλη ερώτηση είναι η οδήγηση του Genome Project-write (GP-write), μια συνέχεια του προγράμματος Human Genome. Οι ηγέτες της αναμένουν ότι η διάσπαση των γονιδιωμάτων και η σύνταξη νέων θα εμβαθύνει την κατανόησή τους για τη βιολογία και θα αποτελέσουν τη βάση για μελλοντικές τεχνολογίες. Μπορεί να συνθέσουν ένα γονιδίωμα ζύμης μέχρι το τέλος του έτους.

Προς το παρόν, μόνο μια χούφτα ελίτ synbio εργαστήρια μπορεί να γράψει ολόκληρα βακτηριακά γονιδιώματα, αλλά ο στόχος του GP-write είναι να κάνει τη γραφή γονιδίων φθηνότερη και πιο προσιτή. Ο δηλωμένος στόχος τους είναι να μειώσουν το κόστος γραφής γονιδιώματος σε λιγότερο από το ένα χιλιοστό αυτού που κοστίζει σήμερα.

Το μη κερδοσκοπικό Κέντρο Αριστείας στη Συνθετική Βιολογία συντονίζει το έργο, με επικεφαλής τον Jef Boeke της NYU. Εκκλησία του Χάρβαρντ Τζορτζ; Andrew Hessel του Autodesk; και Nancy J Kelley, ο πρώην ιδρυτικός εκτελεστικός διευθυντής του Κέντρου Γονιδιώματος της Νέας Υόρκης. Μερικά πιλοτικά έργα ξεκινούν από το έδαφος, συμπεριλαμβανομένης μιας προσπάθειας δημιουργίας ανθρώπινων κυττάρων (σε τρυβλία Petri) που μπορούν να παράγουν όλες τις απαραίτητες βιταμίνες και θρεπτικά συστατικά. Ορισμένες ομάδες στο GP-write επικεντρώνονται σε τεχνολογικά ζητήματα όπως ο τρόπος συναρμολόγησης ενός κλώνου DNA μήκους χρωμοσώματος. Άλλοι επικεντρώνονται στη δημόσια προσέγγιση και στην εύρεση τρόπων συμμετοχής περισσότερων ανθρώπων στις βιοηθικές συζητήσεις γύρω από τη μηχανική γονιδιώματος.

Ο Kelley λέει ότι οι δημόσιες αντιλήψεις για τη γονιδιακή μηχανική είναι από τα μεγαλύτερα εμπόδια της πρωτοβουλίας. «Όταν οι άνθρωποι σκέφτονται τη μηχανική ή τη σύνθεση του ανθρώπινου γονιδιώματος, μεταβαίνουν αμέσως σε έναν γενναίο νέο κόσμο σχεδιαστών μωρών», λέει. "Δεν είναι εκεί που πηγαίνει αυτό το έργο." Προσθέτει ότι η εργασία σε ανθρώπινα κύτταρα - αλλά όχι σε πραγματικούς ανθρώπους - θα "προωθήσει την ηθική και κοινωνική συζήτηση για το πώς θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτές τις τεχνολογίες."