Teleporterede molekyler, brugerdefinerede genomer og andre innovationer, der leverer teknologiens største løfter.

Syntetisk biologi - der gør ting fra bunden ud af biologiske komponenter - har blomstret i årtier. Men nu er forbedringer i DNA-sekventering og synteseteknologi førende for syntetiske biologer til at fremsætte større, dristigere og mere plausible forslag til løsning af nogle af menneskehedens største problemer.

Farmaceutiske, energi- og landbrugsvirksomheder har stort set brugt genteknologi til fremstilling af vanskelige molekyler. I dag er imidlertid syntetisk biologi klar til at skabe mange ting, som ellers ikke ville være muligt i applikationer, der er så forskellige som plantegødning, tekstiler og digital datalagring.

”Jeg tror, ​​at DNA vil være det vigtigste materiale i det 21. århundrede,” siger Emily Leproust, administrerende direktør for Twist Bioscience, der fremstiller tilpassede DNA-strenge, der kan bruges til en række forskellige formål, herunder ultra-tæt datalagring. ”Det sidste århundrede handlede om computere, og nu er vi i en epoke af biologi.”

Google, Amazon, Procter & Gamble, Apple og IKEA sendte alle repræsentanter til den nylige SynBioBeta 7.0-konference i San Francisco. ”Alle disse virksomheder, som du ikke rigtig ville forvente at se på en syntetisk biologikonference, kæmper nu for at gøre aftaler, partnerskaber, for at blive integreret i denne nye industri,” siger SynBioBeta-medstifter John Cumbers.

"Hvis du tænker tilbage til 1960'erne, da vi lige opfandt transistoren og derefter gennemgik Silicon Valley's historie, mikroprocessoren, Internettet, Internettet - nu er 25 procent af den verdensomspændende økonomi bygget på den teknologi," Cumbers siger. "Det er vanskeligt at sige tidslinjen, men lad os sige i de næste 25 år, biologistakken og mængden af ​​værdi, der er bygget oven på den, vil bestemt være mere end 25 procent af verdensøkonomien."

Så hvad handler alt om? Her er seks af de trends og udviklinger, der er værd at se i de kommende år:

Afstrømning fra kvælstofgødning er en vigtig kilde til vandforurening og et vedvarende miljøproblem. Hvad hvis vi ikke havde brug for så meget gødning?

Nogle planter, som ærter og sojabønner, fremstiller deres egen gødning - eller mere til det punkt, mikrober, der trives med disse planter, gør det for dem ved at "fikse" nitrogenet, der er i luften i jorden. Disse bakterier klarer sig ikke godt på andre fælles afgrøder, så syntetiske biologer vil forsøge at gøre dem der gør det. En opstart kaldet Ginkgo Bioworks og den kemiske gigant Bayer sætter 100 millioner dollars i et partnerskab for at udvikle syntetiske organismer, der leverer kvælstof til planterødder, hvilket reducerer behovet for gødning. I mellemtiden forsøger Pivot Bio at øge mikrobernes nitrogenfikseringsevner. ”Hvad alle i marken gerne vil se med mikrober er en vedvarende og bæredygtig måde at fremstille den gødning på,” siger Karsten Temme, administrerende direktør for Pivot Bio. ”Det har virkelig været et langsigtet, undvigende mål for feltet.”

En influenzavirus kan sprede sig over hele verden inden for få dage, men influenzavacciner ligger normalt langt efter nye stammer. For at lave en ny vaccine skal forskere lokalisere den voksende stamme, bokse den op og sende den til et vaccineudviklingsfirma, der indsprøjter de virale partikler i kyllingæg for at generere store mængder antistoffer og derefter pakke dem som vacciner. Hele processen tager mindst en måned, ofte længere. Men hvad nu hvis vaccineudviklere kunne skære ned på rejsetiden ved at sende viralt DNA så let, som de sender en e-mail?

Craig Vents firma Synthetic Genomics begyndte for nylig at pæle med BioXP, en maskine, der kan "udskrive" digitaliserede sekvensdata som DNA- eller RNA-strenge og tilføje dem til bakterier. Udskrivning af gener med BioXP-maskiner kræver stadig tilpassede ingredienssæt - de fleste biolaboratorier ville ikke have de rigtige kemikalier i de rigtige mængder til rådighed, så forskere bestiller ingredienssæt fra Synthetic Genomics på forhånd. Men senere inkarnationer af biologisk-til-digital-konvertere kan muligvis genskabe hele vira fra digitale data sendt som e-mail-vedhæftede filer. Det svarer til teleporterende molekyler.

Synthetic Genomics 'vicepræsident for DNA-teknologi, Dan Gibson, forestiller sig en fremtid, hvor digital-biologiske omformere vil blive almindelige på hospitaler, hvilket giver lægerne mulighed for at "udskrive" tilpassede medicin til patienter. ”Der er bare en lang række anvendelser: medicin, biokemikalier, biobrændstoffer,” siger han. "DNA er virkelig bare starten på at gøre noget nedstrøms fra RNA til protein til hele bakteriegenomer."

Mens de organiserede SynBioBeta-konferencen, bemærkede Cumbers et fælles tema i de nye selskabers mad: mad. Specifikt syntetiske versioner af proteinrige animalske produkter.

Ideen om lab-dyrket kød og mejeri har eksisteret i årevis, men i 2017 var der en stor stigning i finansieringen af ​​synbio-fødevarevirksomheder, der fremstiller landbrugsprodukter af celler og mikrober. Disse virksomheder satser på, at de kan imødekomme verdens stærkende efterspørgsel efter kød, æg, fisk og ost på en bæredygtig og rentabel måde. Mens virksomheder som Memphis Meats og Finless Foods udvikler lab-dyrket kød til konsum, arbejder andre virksomheder for at gøre fiskefarme mere bæredygtige og fiskene inden for dem sundere. Microsynbiotix er genetisk manipulerende alger til fremstilling af spiselige vacciner til beskyttelse af opdrættede fisk.

Vi har en tendens til at tage det blå af vores jeans for givet, men de industrielle farvestoffer, der indebærer masseproduceret tøj med dets farve, er ingen vittighed. Arbejdere, der inhalerer farvestof, har ofte lungeproblemer, og tekstilplanter er en af ​​de førende kilder til vandforurening i hele verden.

Imidlertid ser designer Natsai Chieza en potentiel løsning i de farverige pletter efterladt af mikrober. Hun bruger bakteriekulturer til at farve tørklæder i farverige mønstre. I sin nuværende rolle som designer-in-residence hos Ginkgo Bioworks arbejder hun sammen med forskere for at finde måder at skabe processen op.

I fremtiden kan syntetiske organismer også væves ind i vores tøj. En venture kaldet bioLogic, ledet af Lining Yao og baseret på MIT Media Lab, bruger bakterier, der ekspanderer, når de støder på fugtighed for at fremstille et stof, der reagerer på sved ved at åbne "åbninger" i stoffet.

Syntetiske biologer, der blander sig med bakterier, har et begrænset værktøjssæt. Generelt arbejder de med bakterien E. coli. Hvis du vil have et gen oversat til et protein, skal du klone det og lægge det i E. coli, hvordan den traditionelle logik går. E. coli er den art, som laboratorieudstyr er bygget til at håndtere. Men hvad nu hvis genet, du gerne vil tilføje, ikke svirrer med E. colis genetiske maskiner? Genet fungerer muligvis bedre i en anden organisme.

Hvis syntetiske biologer kunne drage fordel af flere arts naturlige talenter, kunne de dyrke biofabrikker med højere udbytter end E.coli, og mange nye syntetiske biologiprodukter kunne dukke op, siger Sarah Richardson, medstifter af MicroByre. For at gøre det lettere for forskere at manipulere andre arter af bakterier udvikler MicroByre laboratorieudstyr, der kan være vært for andre mikrober. ”Det er absolut en ulykke i historien, at [E. coli] er den, vi har fokuseret på,” siger hun. ”Vi har bogstaveligt talt trukket det ud af vores skodder.”

At finpudse bakteriernes gener er en ting. Hvad kunne du gøre ved at programmere bakterier - eller mere komplekse organismer - helt fra bunden?

Det store spørgsmål er at køre Genome Project-skrivning (GP-write), en opfølgning af Human Genome Project. Dets ledere forventer, at adskillelse af genom og skrivning af nye vil uddybe deres forståelse af biologi og skabe et fundament for fremtidige teknologier. De kan syntetisere et gærgenom ved udgangen af ​​året.

På nuværende tidspunkt er det kun en håndfuld elite synbiolaboratorier, der kan skrive hele bakterien genomer, men GP-skriuw's mål er at gøre genskrivning billigere og mere tilgængelig. Deres erklærede mål er at reducere omkostningerne ved genomskrivning til under en tusindedel af, hvad det koster i dag.

Det non-profit Center for Excellence in Synthetic Biology koordinerer arbejdet, ledet af NYUs Jef Boeke; Harvards George Church; Andrew Hessel fra Autodesk; og Nancy J Kelley, den tidligere grundlæggende administrerende direktør for New York Genome Center. Et par pilotprojekter stiger af banen, herunder et forsøg på at skabe menneskelige celler (i petriskåle), der kan fremstille alle de essentielle vitaminer og næringsstoffer i sig selv. Nogle grupper inden for GP-skrivning er fokuseret på teknologispørgsmål, såsom hvordan man samler en kromosomlængde DNA-streng. Andre er fokuseret på offentlig opsamling og at finde måder at inkludere flere mennesker i de bioetiske samtaler omkring genomteknik.

Kelley siger, at offentlig opfattelse af genteknologi er blandt initiativets største hindringer. ”Når folk tænker på konstruktion eller syntese af det menneskelige genom, springer de straks til en modig ny verden af ​​designerbørn,” siger hun. ”Det er ikke her, dette projekt går hen.” Hun tilføjer, at arbejde i menneskelige celler - men ikke i faktiske mennesker - vil "fremme den etiske og sociale samtale om, hvordan vi vil bruge disse teknologier."