Leer meer over synthetische biologie, een wetenschap die in staat is organismen te synthetiseren om te produceren wat we willen, en hoe deze zich kan verhouden tot het milieu

Bill Oxford in Unsplash-afbeelding

Spinnen en insecten die de kleding maken die u draagt? Het klinkt vreemd, maar er zijn al bedrijven die dit doen. Onderzoekers bestudeerden het DNA van de spinnen en analyseerden hoe ze zijdevezels produceren. Zo slaagden ze erin om in het laboratorium een vezel van water, suiker, zout en gist te reproduceren die, onder de microscoop, dezelfde chemische eigenschappen heeft als de natuurlijke. Er is ook al "koemelk" die niet van de koe kwam en zelfs een filament dat sterker is dan het staal dat wordt geproduceerd uit de stroperige substantie van een vis. Dit zijn allemaal voorbeelden van de toepassing van synthetische biologie.

Synthetische biologie

Aan het einde van de 20e eeuw brak een biotechnologische revolutie uit, waarin nieuwe aspecten van de biologie naar voren kwamen. Synthetische biologie is een gebied dat bekendheid heeft verworven sinds het officieel verscheen in 2003, en dat zijn belangrijkste toepassingsmogelijkheden heeft in de industrie, het milieu en de menselijke gezondheid.

De definitie van synthetische biologie wordt gegeven door de integratie van verschillende onderzoeksgebieden (scheikunde, biologie, engineering, fysica of informatica) met de constructie van nieuwe biologische componenten, waarbij ook het herontwerp van reeds bestaande natuurlijke biologische systemen betrokken is. Het gebruik van recombinant-DNA-technologie (een opeenvolging van DNA uit verschillende bronnen) is geen uitdaging voor synthetische biologie, aangezien dit al gebeurt; de weddenschap is om organismen te ontwerpen die voldoen aan de huidige behoeften van de mensheid.

Een bondgenoot van synthetische biologie is biomimicry, die oplossingen zoekt voor onze behoeften geïnspireerd door de natuur. Met synthetische biologie is het mogelijk om hele systemen te recreëren, niet slechts een deel.

Het was in 2010 dat synthetische biologie bekendheid kreeg. Dat jaar slaagde de Amerikaanse wetenschapper John Craig Venter erin iets geniaal te bereiken: hij creëerde het eerste organisme met kunstmatig leven in een laboratorium in de geschiedenis. Hij creëerde zelf geen nieuwe vorm van leven, maar “imprinted” het DNA dat gecreëerd werd uit digitale data, en introduceerde het in een levende bacterie, en transformeerde het in de synthetische versie van de Mycoplasma mycoides- bacterie . Venter beweert dat dit het "eerste levende organisme was waarvan de vader een computer is".

Tegenwoordig is er op internet een database beschikbaar met duizenden DNA- ‘recepten ’ die kunnen worden afgedrukt, de zogenaamde biobricks . Bacteriën met een synthetisch genoom werken op precies dezelfde manier als hun natuurlijke versie, en zo kunnen we bacteriën herprogrammeren en ze laten werken zoals we bepaalde materialen willen produceren, zoals zijde en melk.

Het bedrijf dat verantwoordelijk is voor de productie van zijdevezels uit de observatie van spinnen die aan het begin van deze tekst worden genoemd, is Bolt Threads. De kunstmatige "koemelk" is Muufri, gemaakt door twee veganistische bio-ingenieurs. Het wordt geproduceerd volgens dezelfde principes als bier en is een mengsel van ingrediënten (enzymen, eiwitten, vetten, koolhydraten, vitamines, mineralen en water). Deze "synthetische melk" heeft dezelfde smaak- en voedingskenmerken als het origineel. Het hyperresistente filament is daarentegen het werk van het Benthic Labs-laboratorium, dat verschillende materialen vervaardigt, zoals touwen, verpakkingen, kleding en gezondheidsproducten, door middel van dit filament van de slijmprik.(vissoort ook wel bekend als myxini). De DNA-code van de vis wordt geïntroduceerd in de bacteriekolonie, die het filament begint te synthetiseren. Het is tien keer dunner dan een haar, sterker dan nylon, staal en heeft absorberende en antimicrobiële eigenschappen.

Als we in staat zijn om dergelijke 'natuurlijke' hulpbronnen te recreëren naarmate de studies vorderen, kan synthetische biologie het gebruik van sommige grondstoffen vervangen. Zo kan deze technologie worden geïntroduceerd als een factor van groot belang in het concept van circulaire economie, zoals het geval is bij technologieën die olielozingen opvangen of bacteriën die plastic eten.

Synthetische biologie integreren in de circulaire economie

Afbeelding van Rodion Kutsaev in Unsplash

De circulaire economie is een structureel model dat staat voor een gesloten kringloop, waarin geen verlies of verspilling is. De drie principes van circulaire economie zijn volgens de Ellen Macarthur Foundation:

Natuurlijk kapitaal behouden en vergroten, eindige voorraden beheersen en de stroom van hernieuwbare hulpbronnen in evenwicht houden;
Optimaliseer de productie van hulpbronnen, circulerende producten, componenten en materialen van het hoogste niveau van bruikbaarheid, zowel in de technische als biologische cyclus;
Bevorder de doeltreffendheid van het systeem door negatieve externe effecten aan het licht te brengen en deze uit te sluiten in projecten.

We leven momenteel in een lineair productief systeem. We extraheren, produceren, consumeren en verwijderen. Maar natuurlijke hulpbronnen zijn eindig en we moeten ze behouden - dit is het eerste principe van de circulaire economie.

Met synthetische biologie kunnen we in de toekomst wellicht de winning van bepaalde natuurlijke hulpbronnen vervangen. Naast het ontzien van het milieu, besparen we enorm veel energie en benaderen we het model van cradle to cradle ( craddle to craddle - een systeem waarin geen idee is van afval).

Vervanging van materialen

Het vermogen om bacteriën te beheersen en ze voor ons te laten werken, kan verschillende alternatieven voor inputs of processen creëren. Bijvoorbeeld: het creëren van nieuwe biologisch afbreekbare materialen die weer in de kringloop kunnen worden geïntegreerd en nu dienen als voedingsstoffen voor andere wezens, zoals mest voor plantages.

Er zijn al enkele soorten polymeren gemaakt door synthetische biologie, zoals plastic gemaakt van de fermentatie van suiker en op natuurlijke wijze afgebroken met de micro-organismen die in de bodem aanwezig zijn. Ook andere materialen kunnen worden gebruikt om bioplastic te produceren, zoals onder andere maïs, aardappelen, suikerriet, hout. Er zijn ook pakketten gemaakt van het mycelium (afbeelding hieronder) van paddenstoelen die kunnen worden gevormd en het piepschuim kunnen vervangen.

Afbeelding: Biologisch afbreekbare verpakking gemaakt door Ecovative Design, met behulp van biomateriaal van mycelium uit landbouwafval door mycobond is gelicentieerd onder (CC BY-SA 2.0)

Andere toepassingen die door de wereld worden geëvalueerd, worden nog steeds ontwikkeld ... Synthetisch rubber is tegenwoordig volledig afkomstig van petrochemische bronnen, dus onderzoek probeert banden te maken die zijn gemaakt van bio-isopreen . De enzymen van de plant worden door genoverdracht in het micro-organisme geïntroduceerd en produceren zo het isopreen. In Brazilië wordt een methode bestudeerd om methaan met behulp van micro-organismen onder gecontroleerde omstandigheden om te zetten in biologisch afbreekbaar plastic. Chemische producten, acryl, vaccinontwikkeling, behandeling van landbouwafval, antibiotica, onder andere zijn voorbeelden van synthetische biologieproducten die weer in de stroom kunnen worden ingebracht, waardoor een cyclisch systeem ontstaat.

Om het tweede principe van circulaire economie op te nemen, kan synthetische biologie materialen maken die resistenter zijn en lang meegaan, zonder dat constant reparaties, wisselende onderdelen of zelfs het kopen van nieuwe producten vaak nodig zijn. Er worden materialen gemaakt die gemakkelijk kunnen worden hergebruikt in andere processen, om nieuwe producten te creëren of die gemakkelijker te recyclen zijn. Als al dit hypothetische materiaal aan deze voorwaarden zou voldoen, zouden ze geen afval worden, met een afname van vervuiling en verwijdering op stortplaatsen, dat wil zeggen, ze zouden blijven circuleren voor gebruik.

De andere kant van het verhaal

Deze technologie is nog erg recent en met de ontdekking van steeds meer toepassingen en materialen die kunnen worden vervangen door kunststoffen, neemt de winning van hulpbronnen uit de omgeving af, waardoor deze op natuurlijke wijze kunnen herstellen. Door het veerkrachtvermogen van de omgeving terug te geven, wordt de balans hersteld en kunnen we op een duurzamere planeet leven.

Maar zoals bij alles wat goed is, zijn er ook enkele tegenslagen. Deze wetenschappelijke tak, die ook als extreme genetische manipulatie wordt beschouwd, heeft officieel advies nodig. Producten moeten gedetailleerde voorschriften en aanbevelingen hebben om elke kans op fouten te vermijden, zodat de risico's en voordelen duidelijk worden voordat commercialisering plaatsvindt. Aangezien de eerste experimenten in de synthetische biologie economisch veelbelovend waren, zijn er nog steeds niet veel beperkingen, wat een probleem kan zijn.

Een van de negatieve effecten die kunnen optreden, is het verlies aan biodiversiteit door het ontstaan van kunstmatige micro-organismen die onvoorspelbaar kunnen werken in het milieu. Bijvoorbeeld: als een synthetisch micro-organisme opzettelijk wordt vrijgegeven of niet, soms ongekend van aard, kan het zich gedragen als een indringer en zich voortplanten, hele ecosystemen dereguleren, en is het onmogelijk om te "jagen" en alle bacteriën uit de omgeving te verwijderen.

Op sociaal gebied kunnen arme landen veel meer lijden dan ontwikkelde landen. Het gebruik van micro-organismen voor de massaproductie van een bepaald product kan hele natuurlijke plantages vervangen, waardoor miljoenen gezinnen werkloos worden. Er zullen echter monoculturen nodig zijn om de bacteriën te voeden, aangezien hun energiebron biomassa is.

Op grote schaal hebben bepaalde producten veel organisch materiaal nodig, zoals suiker. Mogelijk gaan werkloze gezinnen alleen suikerriet planten (biobrandstoffen hebben al voor grote veranderingen in het landgebruik gezorgd), wat van invloed kan zijn op de toegang tot land, water en een toenemend gebruik van onder meer pesticiden.

Al deze kwesties houden rechtstreeks verband met bio-ethiek. De kracht van synthetische biologie is enorm. Door organismen te ontwerpen zoals wij dat willen, worden ze onvoorspelbaar, dus moeten wetenschappers en de samenleving deze kracht verantwoord en veilig gebruiken, ondersteund door overheden. Dit is altijd een ingewikkelde kwestie.

Al deze positieve of negatieve factoren kunnen de circulaire economie en onze planeet helpen of belemmeren. Maar er is nog veel te bespreken en er moet nog veel kennis over het onderwerp worden opgedaan. Het valt niet te ontkennen dat synthetische biologie een trend voor de toekomst is, maar het belangrijkste is om te bepalen hoe deze geavanceerde technologie zal worden toegepast.

Bekijk een kritische video over de gevolgen van synthetische biologie.