ثورة التكنولوجيا الحيوية للمواد والطاقة وصناعات الغذاء

التكنولوجيا الحيوية خارج القطاع الطبي

معظم الانتباه في قطاع التكنولوجيا الحيوية موجه نحو الطب والأدوية. الأسباب واضحة إلى حد ما: يمكن للتقنيات الحيوية أن تقضي على الأمراض النادرة والمزمنة، وتكافح الشيخوخة، وتشفى السرطان والأمراض المعدية.

إنه قطاع مربح للغاية، حيث تركز العديد من أكبر الشركات في العالم على قطاع الأدوية.

ومع ذلك، ليس هذا هو المجال الوحيد لتطبيق التكنولوجيا الحيوية. فبعد كل شيء، فإن الغلاف الحيوي ككل هو في الأساس مجموعة من الآلات النانوية (البروتينات والخلايا) القادرة على معالجة ضوء الشمس والهواء إلى مواد وطعام وطاقة. حتى صناعة الوقود الأحفوري بأكملها تستند إلى ملايين السنين السابقة من النشاط البيولوجي الذي يخلق الفحم والنفط والغاز.

لذلك، قد يؤدي إتقاننا المتزايد للحياة، حتى على المستوى الجيني والجزيئي، قريبًا إلى استبدال العديد من العمليات الصناعية بتقنيات أكثر استدامة مدعومة بالتكنولوجيا الحيوية.

إنتاج الغذاء

المجال غير الطبي الأول الذي يمكن تطبيق التكنولوجيا الحيوية فيه مباشرة هو الإنتاج الزراعي. المحاصيل المعدلة وراثيًا موجودة الآن لعقود وتتحسن بسرعة لتصبح أكثر استدامة وأقل جدلاً.

من المتوقع أن تزيد التكنولوجيا الحيوية الزراعية من 79.9 مليار دولار في 2023 إلى 119.6 مليار دولار بحلول 2028.

تطبيق بسيط هو تطوير أصناف جديدة من المحاصيل مقاومة للأمراض والآفات أو أكثر تحملًا للجفاف وموجات الحرارة والفيضانات وغيرها من اضطرابات المناخ.

احتمال آخر هو تغيير البكتيريا والكائنات الدقيقة على النباتات، داخل النباتات، وفي التربة. يمكن أن يحل ذلك محل الحاجة إلى الأسمدة الكيميائية والمبيدات باستخدام البكتيريا. ناقشنا كيف يمكننا تغيير الميكروبيوم النبات في مقالتنا “الميكروبيوم النباتي الهندسي — حماية المحاصيل بالبكتيريا”.

المصدر: Energy.gov

في هذا المجال، ظهرت بعض الشركات الرائدة، ولا سيما Bayer (BAYRY). الشركة مثال على الخط الفاصل الضبابي بين الشركات الصيدلانية والزراعية، حيث تنشط في كلا القطاعين.

ناقشنا هذا الموضوع وBayer في مقالاتنا “تقدم الزراعة باستخدام الذكاء الاصطناعي والهندسة الجينية – مستقبل الزراعة” و“تقنية المينكروموسوم – أفضل طريقة للنمو المستدام في محصول الحبوب؟”.

الأطعمة البديلة

يمكن أيضًا استخدام تحرير الجينات لإنشاء أنواع جديدة من الطعام. على سبيل المثال، محاصيل جديدة تمامًا تم إنشاؤها من الأعشاب الضارة يمكن أن تكون خيارًا.

يمكن أيضًا إنشاء بدائل للحم تشبه في الملمس والطعم اللحم، مع تحسين الملف الصحي، عن طريق تعديل جينوم الفطر.

الوقود الحيوي والطاقة

إذا كانت النباتات هي المصدر الأصلي للوقود الأحفوري قبل ملايين السنين، فهل يمكن للكتلة الحيوية المزروعة حديثًا أن تزودنا بالطاقة في المستقبل؟

هذا هو وعد الوقود الحيوي. الجيلان الأولان من الوقود الحيوي استخدما فقط منتجات من الزراعة التقليدية (الجيل الأول ^st يستخدم منتجات غذائية مثل الذرة، الجيل الثاني ^nd يستخدم مخلفات زراعية).

لكن الجيل الثالث ^rd من الوقود الحيوي يهدف إلى استخدام كائنات مخصصة لإنتاج الوقود مباشرةً بكفاءة أعلى مع تجنب الضغط على إنتاج الغذاء وإمدادات المياه العذبة.

عادةً ما يكون الوقود الحيوي إيثانولًا، لكنه يمكن أن يشمل أيضًا مجموعة متنوعة من الجزيئات الأخرى، بما في ذلك الأحماض الدهنية طويلة السلسلة (مشابهة للزيت)، والغاز الحيوي، والهيدروجين، والأمونيا.

خيار واحد هو استخدام الطحالب، التي يمكن زراعتها في المحيط أو في الصحاري باستخدام مياه البحر. استكشفنا هذا الاحتمال في “الوقود الحيوي الطلائي: الثورة الطاقة التالية؟”.

المصدر: Exxon

خيار آخر قد يكون تحويل كائنات معروفة مثل الخميرة إلى آلات ضوئية، كما بحثنا في “قد يغير الخميرة الضوئية السعيدة نهجنا تجاه الوقود الحيوي”.

أخيرًا، يمكن أن يخلق دمج التكنولوجيا الحيوية والنانو الوقود الحيوي من الجيل الرابع. يُطلق عليه أحيانًا “وقود شمسي فوتوبايولوجي“. سيتجاوز ذلك الحاجة إلى الكائنات الكاملة ويعيد إنشاء التمثيل الضوئي البيولوجي على نطاق واسع عبر تكنولوجيا النانو.

تغير المناخ

بينما يمكن أن يكون الوقود الحيوي مساهمًا جادًا في مكافحة الاحتباس الحراري وتقليل استخدام الوقود الأحفوري، فهذه ليست الطريقة الوحيدة التي يمكن للتقنيات الحيوية أن تساعد بها.

في “الاستثمار في أسهم التكنولوجيا الحيوية التي تعمل على حلول الاحتباس الحراري” ناقشنا بعض الاحتمالات الأخرى:

• التقاط الكربون، بما في ذلك عبر الأشجار المعدلة وراثيًا، البيوشار (حجز الكربون في الفحم والتربة)، مزارع الأعشاب البحرية الكيلب، تخصيب الميكروالجي في المحيطات بالحديد، إلخ.
• تقليل انبعاثات الزراعة من غازات الدفيئة.
• إنتاج مركبات عالية القيمة مثل العطور، التوابل، والمنتجات الصيدلانية في المفاعلات الحيوية بدلاً من حصاد النباتات والحيوانات.
• الزراعة العمودية أو الداخلية لتقليل الضغط على الموارد الأرضية والمائية.

المصدر: Medium

المواد والإمدادات الصناعية

الخشب

يُعد الخشب أحد أقدم المواد الحيوية، ولا يزال مادة مهمة في اقتصادات اليوم الحديثة. الأخشاب والغابات هي صناعة ضخمة تبلغ قيمتها 1.16 تريليون دولار في 2024.

نظرًا لنموها البطيء والفترة الطويلة بين الأجيال، تم استبعاد الأشجار منذ زمن طويل من برامج الهندسة الجينية.

يمكن للوراثة المحسنة أن تعزز إنتاج الخشب وامتصاص الكربون.

يمكن أيضًا أن يخلق أشكالًا جديدة من “زراعة الأشجار”، حيث تُستخدم الأشجار لإنتاج مركبات قيمة جديدة، من الأدوية إلى المواد الكيميائية.

المصدر: Modern Agriculture

من المحتمل أن تُدمج هذه المفاهيم مع التقدم المحرز في فهم النظم البيئية، مع مفاهيم مثل الزراعة الحراجية، غابات الطعام، والغابات المتعددة الأنواع المُحسّنة التي تعزز كلًا من الإنتاجية والفوائد البيئية.

أخيرًا، قد يكون الخشب مادة أكثر قوة مما كان متوقعًا. يكتشف الباحثون أن الظروف القلوية، درجات الحرارة العالية، والبوليمرات الحيوية يمكن أن تحول الخشب إلى «خشب معزز يمكن أن يمتلك قوة الفولاذ وصلابة تفوق الخرسانة بـ23 مرة».

البيوبلاستيك والكيماويات الحيوية

جزء كبير من استهلاك الوقود الأحفوري، بالإضافة إلى مصدر رئيسي للتلوث، مخصص لإنتاج البلاستيك، الذي قد يصل إلى 20٪ من استهلاك النفط والغاز في 2050.

هذه مشكلة مهمة مع إدراكنا أن الميكروبلاستيك أصبحت شائعة في كل مكان، سواء في أجسامنا وحتى في مياه الأمطار.

استبدال البلاستيك المستند إلى الوقود الأحفوري بالبيوبلاستيك مهمة صعبة، وتتطلب الكثير من الهندسة الكيميائية. لكن يمكن تحقيق ذلك وربما يكون ضروريًا إذا أردنا الاستمرار في استخدام البلاستيك دون تلويث بيئتنا بشكل لا يمكن إصلاحه.

نناقش التحديات التقنية وبعض أحدث الابتكارات في هذا القطاع في “بدائل صديقة للبيئة للبلاستيك مفتاح جهود الاستدامة: هل البلاستيك القابل للتحلل حلاً؟“. والشركات الرائدة في هذا القطاع في “أفضل 5 شركات للبيوبلاستيك”.

تُعثر أيضًا على بدائل مستندة إلى البيولوجيا في مجالات أخرى. على سبيل المثال، للصق، حيث يمكن استبدال الفورمالديهد السام باللجنين. أو كيف الألواح المصنوعة من القنب (نباتات القنب غير المهلوسة) يمكن استخدامها لعزل المباني حراريًا.

ألياف النسيج

تمكن الباحثون من هندسة ديدان القز لتنتج على نطاق واسع حرير العنكبوت، وهو ألياف أقوى بـ6 مرات من الكيفلار المستخدم في السترات الواقية من الرصاص. يمكن استخدامها في تطبيقات الفضاء والعسكرية، وكذلك في الخيوط الجراحية. حرير العنكبوت يمكن حتى أن يُستخدم في عضلات الروبوتات.

معالجة التلوث والبيئة

البكتيريا التي تلتهم البلاستيك

يمكن حل تلوث البلاستيك بطريقة أخرى. Carbios، شركة ناشئة فرنسية، حددت بكتيريا ذات إنزيم معدل يهضم البلاستيك.

شركة أخرى، Epoch Biodesign تصنع بروتينات قادرة على تحلل المنظفات، الطلاء، الكيماويات الزراعية، البلاستيك، إلخ.

حتى النباتات والفطريات قد تساهم في تحلل البلاستيك، مما يضيف إلى الحلول المتاحة لمعالجة التلوث.

تنظيف مياه الصرف من نفط الصخر الزيتي

مؤخرًا، ظهر تطبيق جديد لمجالات التكنولوجيا الحيوية الناشئة التي تم تطويرها في البداية لصحة الإنسان.

باستخدام البكتريوفاجات، تمكن الباحثون من تقليل التلوث الناجم عن معالجة مياه الصرف من إنتاج نفط الصخر الزيتي. ناقشنا بالتفصيل كيف يعمل ذلك في “البكتريوفاجات قد تقلل الضرر الناجم عن التكسير الهيدروليكي، ممارسة مثيرة للجدل“.

إعادة إحياء الأنواع الميتة

تلوث البلاستيك أو تغير المناخ ليسا التأثير السلبي الوحيد للأنشطة البشرية. العديد من الأنواع إما مهددة بالانقراض أو تم إبادةها قبل قرون أو آلاف السنين.

في “جهود الحفظ المدعومة بالتقدم في التكنولوجيا الحيوية – وحيد القرن الأبيض أحدث المستفيدين“، نظرنا إلى كيف يمكن للتقدم الأخير في التربية الاصطناعية والهندسة الجينية إنقاذ الأنواع المهددة مثل وحيد القرن الأبيض، وربما إحياء أنواع مثل الماموث الصوفي.

المصدر: Colossal

تخزين البيانات على الحمض النووي

قد يكون قطاع غير متوقع جديد للتكنولوجيا الحيوية هو تخزين البيانات، وهو مجال كان محجوزًا لأشباه الموصلات حتى الآن. ومع ذلك، فإن الحمض النووي هو في الواقع وسط كثيف للغاية للمعلومات، حيث تبلغ كثافة معلومات الحمض النووي 1.47 تيرابت/مم² أو 950 تيرابت/إن²، أي أكثر من 800 مرة كثافة الأقراص الصلبة.

يمكن أن يتمتع أيضًا بميزة فريدة وهي الاستقرار على مدى فترات طويلة جدًا دون الحاجة إلى مواد مكلفة أو ملوثة. كما أن التخزين لا يتطلب طاقة.

انخفاض التكاليف والتحسينات في دقة تصنيع الحمض النووي الصناعي تجعل الآن تخزين الحمض النووي عالي الجودة ممكنًا.

إحدى المشكلات هي قراءة المادة، والتي هي أكثر تعقيدًا بشكل كبير من البيانات المكتوبة على ركائز أشباه الموصلات. لذا، من المحتمل أن يقتصر تخزين الحمض النووي على البيانات الأرشيفية والبيانات الأخرى التي لا يتم استشارتها كثيرًا في المستقبل القريب.

تحالف تخزين البيانات على الحمض النووي تم تشكيله مؤخرًا ويشمل شركة تصنيع الحمض النووي Twist Biosciences، شركة تسلسل الجينوم Illumina، شركة تخزين البيانات Western Digital، مايكروسوفت، لينوفو، والعديد من الآخرين.

شركات التكنولوجيا الحيوية غير الصيدلانية

1. Ginkgo Bioworks

تنتج الشركة كائنات حسب الطلب لتطبيقات محددة. تشمل هذه التطبيقات الطبية الحيوية والعديد من برامج الصناعات والعلوم المادية.

Ginkgo هي بالضبط النوع من الشركات التي يمكن للمجموعات الصناعية الكبيرة اللجوء إليها لتصميم خميرة مخصصة مخصصة لإنتاج الوقود الحيوي. وينطبق نفس الأمر على المواد الكيميائية المعقدة القيمة أو طرق إزالة التلوث.

قامت Ginkgo Bioworks (DNA ) بتنويع تطبيقاتها على نطاق واسع مع العديد من برامج البحث والشراكات:

• القنّبيات
• إنتاج لقاحات mRNA والدواء الحمض النووي
• بروتينات الطعام
• إنتاج الأسمدة الحيوية في شراكة مع Bayer
• ميكروبات مبرمجة لأمراض الأمعاء
• إزالة الميكروبلاستيك الحيوية
• الأمن البيولوجي واكتشاف الممرضات
• إعادة تدوير النفايات والملوثات

تحقق الشركة أرباحًا من خلال الحصول على دفعة مقدمة لتطوير العملية ثم من خلال الإتاوات على المنتج النهائي.

شراكات Ginkgo تتوسع باستمرار، مع:

• شراكة متنامية مع Novo Nordisk
• شراكة مع شركة Sojitz اليابانية للتجارة
• تمويل DARPA للبروتينات الجديدة للتحكم في الجليد في بيئات الطقس البارد القاسي
• $ 331M صفقات مع Pfizer.
• $490M صفقة مع Merck لتحسين تصنيع المنتجات البيولوجية.
• $406M صفقة مع Boehringer Ingelheim للأهداف غير القابلة للعقاقرة.

تتعاون Ginkgo Bioworks أيضًا مع جميع الشركات الزراعية الكبرى، والتي لديها معظمها بعض الاهتمامات في إنتاج الوقود الحيوي والميكروبيولوجيا. تشمل بعض هذه الشركات Bayer، Cargill، Syngenta، Corteva، ADM، Exacta، وغيرها.

المصدر: Gingko Bioworks

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Science، جزء من Bayer Global (وهي أيضًا شركة صيدلانية)، تركز على الابتكارات المتعلقة بالبذور والصفات وحماية المحاصيل.

ساعدت ابتكارات Bayer علماء التكنولوجيا الحيوية لديها على إجراء تحسينات مستهدفة داخل DNA النبات.

منذ اندماجه مع Monsanto، أصبحت أيضًا رائدة في محاصيل GMO وإدارة الأعشاب الضارة. جاء هذا الاندماج مع مشكلة الدعاوى القضائية المكلفة جدًا ضد RoundUp، مما أدى إلى انخفاض سهم الشركة في السنوات التي تلت الاندماج.

تتحكم في معظم سوق بذور GMO التقليدية وتعمل أيضًا على استخدام تقنية CRISPR للجيل القادم من البذور للذرة وفول الصويا والقمح، إلخ.

وفقًا لـ Bayer، فإن فوائد حماية المحاصيل هائلة. آلية حماية المحاصيل تحافظ على حوالي 30٪ من إنتاجية الزراعة عالميًا، ما يعادل 550 مليون طن من الغذاء يمكن أن يغذي أكثر من 2 مليار شخص.

المصدر: Bayer

تنتقل Bayer من GMOs التقليدية من خلال شراكة مع Ginkgo Bioworks (DNA)، إحدى أكبر شركات البيولوجيا التركيبية. تركز الشراكة على تطوير بدائل بيولوجية للأسمدة الكيميائية عبر تحرير الجينات للميكروكائنات.

إنها رائدة في تنوع البذور وتحرير الجينات في النباتات، مع أكثر من 500 صنف جديد من المحاصيل في خط أنابيبها (و250 تسجيلًا جديدًا للمحاصيل في 2022).

الشركة أيضًا رائدة في دمج التكنولوجيا في الزراعة. على سبيل المثال، وقعت Bayer شراكة مع Microsoft (MSFT )  لدمج نظام إدارة البيانات Azur الخاص بالعملاق التقني مع خبرة Bayer في استخدام البيانات من الأقمار الصناعية، وأجهزة الاستشعار الميدانية، والطائرات بدون طيار، ومعدات الحقول، وأجهزة استشعار التربة لإنشاء مزارع حديثة ومترابطة حقًا.

المصدر: Bayer

بفضل قيادتها في GMOs (التقليدية وتحرير الجينات المتقدم)، واختيار تنوع النباتات، ودمج البيانات الضخمة في الزراعة، ستكون Bayer مرشحًا طبيعيًا لمرافقة عملية إنشاء محاصيل مستأنسة من الصفر، وكذلك الكشف الفائق الطيف للأعشاب الضارة بواسطة الروبوتات الزراعية.