5 перспективных технологий в синтетической биологии, которые могут изменить мир

Биотехнология прошла долгий путь с 1978 года, когда Герберт Бойер (Herbert Boyer) успешно продемонстрировал, что челочевеский инсулин может быть получен из бактерий, спроектированных с рекомбинантной ДНК. Такой научный прорыв не только привлек внимание к доселе малоизвестной компании Genentech, но и в буквальном смысле изменил мир. Позже, в 2009 году Genentech была куплена одним из крупнейших в мире фармацевтических холдингов Roche за 46,8 млрд. долларов. ВВП американской биоэкономики, в которую входят биотехнологические культуры, биохимикаты и биологические медицинские препараты, в 2012 году достиг 324 млрд. долларов. Сегодня ежедневно миллионы людей по всему миру используют инсулин и другие биопрепараты.

Помимо открытия синтеза челочевеского инсулина, на подходе еще одна потенциальная революция в генной инженерии — так называемые методики CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, или короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами), которые в будущем можно будет использовать для лечения наследственных заболеваний.

Кроме успехов в области генной инженерии, существует еще ряд существенных прорывов в науке и технике, изменивших мир.

«Чистое» мясо

Сегодня животноводство является одним из крупнейших в мире источников генерации парниковых газов. Кроме того, эта отрасль сельского хозяйства лидирует в потреблении антибиотиков, площадях занимаемых территорий и количестве производимых отходов, загрязняющих окружающую среду. Одним из теоретически достижимых в обозримом будущем технологических решений для ликвидации или по крайней мере существенного сокращения всех вышеназванных недостатков животноводства является технология производства «чистого» мяса, искуственно выращиваемого в специальных биореакторах. Теоретически возможно выращивание мяса любого животного — от кур и коров до креветок. На сегодняшний день существует уже множество стартапов в этом направлении, а некоторые из них имеют поддержку со стороны крупнейших пищевых компаний в мире, таких как Tyson Foods.

Азотпроизводящие растения

Современное сельское хозяйство не может обойтись без азотных удобрений, индустрия которых оценивается в 80 млрд. долларов, и при этом является источником до 3% от общемировых выбросов парниковых газов. Причиной тому является неспособность выращиваемых культур потреблять азот в натурально связанных формах, что вынуждает фермеров ежегодно тратить средства на закупку и внесение искуственных добавок. Однако уже на протяжении нескольких лет крупные химические и агропромышленные компании ведут разработки, которые могут помочь растениям преодолеть естественные ограничения. Так, американская Monsanto и датская Novozymes инвестировали 600 млн. долларов в создание BioAg, продуктами которой являются семена, покрытые азотсодержащими почвенными микробами. Помимо этого не стоит забывать и создание немецкой Bayer AG и американской Ginkgo Bioworks совместного предприятия, которое будет вести разработки в области создания генома, позволяющего растениям самостоятельно производить азот. Все эти технологии позволят существенно сократить объемы синтетических азотных удобрений, необходимых для выращивания сельскохозяйственных культур, что не только сократит затраты, но и снизит нагрузку на экологию планеты.

Газовая ферментация

Промышленная ферментация использует микробы (бактерии, дрожжи или водоросли) в качестве катализатора для превращения углеродного источника (исходного сырья) в более ценный химикат или материал. В качестве сырья обычно выступает сельскохозяйственный сахар, получаемый из кукурузы или сахарного тростника. Однако сахара не являются единственным источником углерода. На самом деле одни из самых первых форм жизни на планете Земля питаются чем-то совершенно иным, чем пищей — газами. Если человечеству удасться использовать преимущества ферментации через экономически жизниспособные технологии, это будет настоящей революцией. Ведь если получиться использовать газовую ферментацию для поглощения оксида углерода, двуокиси углерода и метана и получать на выходе представляющие ценность в промышленности химикаты — это может помочь не только генерировать дополнительную прибыль, но и существенно сократить количество выбрасываемых в атмосферу парниковых газов.

На практике уже ряд компаний предпринимает шаги в этом направлении. Например, компания LanzaTech сотрудничает с несколькими сталелитейными заводами в Азии, где в процессе производства выбросы газов пропускаются через ферментационные резервуары с специально спроектированными микробами. В результате получается в рамках побочного продукта создавать недорогие этанолы и другие химикаты.

Другим примером являются продовольственные компании Calysta и Cargill, которые используют метан из природного газа для выращивания белка в качестве корма для рыб. Американская биотехнологическая компания Intrexon также использует метан из природного газа для производства товарных химикатов и топливных смесей.

На пути коммерциализации газовой ферментации лежит целый ряд существенных сложностей, и использование ферментации на побочных выбросах производства выглядит как наиболее эффективное решение на текущий момент. Так или иначе, в случае успеха в развитии этой линейки технологий и переходе на промышленные рельсы мир изменится весьма существенно.

Генетические вакцинации

С изобретением первой вакцины в 1796 году человечество невероятно продвинулось в области общественного здравоохранения, было ликвидировано свыше дюжины заболеваний, ранее уносивших жизни миллионов людей каждый год. К концу 21-го века вакцинация выйдет на новый уровень. Несмотря на все еще начальные стадии развития генной инженерии, уже упомянутые рании технологии CRISPR могут позволить нам просто удалять и заменять генетические мутации, вызывающие множество наследственных заболеваний.

Одни из первых предлагаемых методик, которые на текущий момент уже близки к стадии клинических испытаний, будут нацелены на редкие заболевания, вызываемые «простыми» генетическими мутациями, такие как атаксия Фридрейха и серповидноклеточная анемия. В случае успеха эти методики послужат фундаментом для создания генетических вакцинаций против более сложных заболеваний. Теоретически, возможно будет даже корректировать генетические мутации в эмбрионе человека, приводящие к развитию (или к подверженности) таких заболеваний, как рак, диабет, сердечные заболевания и другим недугам.

Самовоспроизводящиеся бесклеточные системы

Ученые часто говорят о клетках, как о микро-заводах. Метаболические процессы в них — это сборочные линии, а ферменты — роботизированные руки. Такая микро-фабрика использует в качестве сырья сахара, а на выходе производит химический продукт. Тем не менее, такие живые фабрики имеют ряд ограничений.

Например, очень много энергии тратится в процессах, непосредственно не связанных с производством необходимого химического вещества. Клеткам нужна энергия для деления, защиты от хищников и т.д.. Мы принимаем эти ограничения, так как клетки обеспечивают одно невероятное преимущество перед традиционными химическими процессами — они способны к самопроизводству. Грубо говоря, имея лишь одну клетку, можно создать миллиарды ее копий.

Однако существует концепция технологии бесклеточных систем, когда клетка используется исключительно для производства необходимого вещества и ничего более. Такая клетка не способна к самопроизводству и на текущий момент весьма сложна в создании и обслуживании. Несмотря на сложность, ряд лабораторий уже ведет исследования в области преодоления этих ограничений. Теоретически, если удасться создать самовоспроизводящиеся бесклеточные системы, это позволит создавать нужные вещества в поистине невообразимых масштабах и при невероятно низких издержках производства. Эта технология может стать единственной, способной конкурировать в энергоэффективности с углеводородным топливом, таким, как нефть. Этим во многом и объясняется недавний интерес Министерства энергетики США к бесклеточным системам.

Использование биотехнологий обеспечило человечество буквально всем — от продуктов питания до новейших фармацевтических препаратов. Технология CRISPR, не существовавшая еще 10 лет назад, сегодня уже нашла свое применение в ряде продуктов на рынке, продолжают развиваться и технологии экосистем. Развитие биотехнологий в обозримом будущем будет иметь серьезные последствия для многих многомиллиардных рынков, таких как животноводств, химическая промышленность или производство синтетических удобрений.

Источник: Madison.com