Η Επανάσταση της Βιοτεχνολογίας για τα Υλικά, την Ενέργεια & τις Βιομηχανίες Τροφίμων

Βιοτεχνολογία Πέρα από τον Ιατρικό Τομέα

Τα περισσότερα από τα ενδιαφέροντα στον τομέα της Βιοτεχνολογίας κατευθύνονται προς την ιατρική και τα φαρμακευτικά προϊόντα. Οι λόγοι είναι μάλλον προφανείς: Οι βιοτεχνολογίες μπορούν ενδεχομένως να εξαλείψουν σπάνιες και χρόνιες ασθένειες, να καταπολεμήσουν τη γήρανση και να θεραπεύσουν τον καρκίνο και τις μολυσματικές ασθένειες.

Αυτή είναι μια πολύ κερδοφόρα βιομηχανία, με πολλές από τις μεγαλύτερες εταιρείες του κόσμου να εστιάζουν στον φαρμακευτικό τομέα.

Ωστόσο, αυτό δεν είναι το μόνο πεδίο εφαρμογής της Βιοτεχνολογίας. Τελικά, η βιοσφαίρα ως σύνολο αποτελεί ουσιαστικά μια συναρμολόγηση νανομηχανών (πρωτεϊνών και κυττάρων) που μπορούν να επεξεργάζονται το ηλιακό φως και τον αέρα σε υλικά, τρόφιμα και ενέργεια. Ακόμη και ολόκληρη η βιομηχανία ορυκτών καυσίμων βασίζεται στα προηγούμενα εκατομμύρια χρόνια βιολογικής δραστηριότητας που δημιούργησαν άνθρακα, πετρέλαιο και αέριο.

Έτσι, η αυξανόμενη κυριαρχία μας πάνω στη ζωή, μέχρι το γενετικό και μοριακό επίπεδο, θα μπορούσε σύντομα να αντικαταστήσει πολλές βιομηχανικές διεργασίες με πιο βιώσιμες τεχνολογίες που τροφοδοτούνται από βιοτεχνολογία.

Παραγωγή Τροφίμων

Το πρώτο μη ιατρικό πεδίο όπου η βιοτεχνολογία εφαρμόζεται άμεσα είναι η γεωργική παραγωγή. Οι τροποποιημένες γενετικά καλλιέργειες (GMO) είναι πλέον δεκαετίες παλιές και βελτιώνονται γρήγορα ώστε να γίνουν πολύ πιο βιώσιμες και λιγότερο αμφιλεγόμενες.

Η αγροτική βιοτεχνολογία εκτιμάται ότι θα αυξηθεί από 79,9 δισεκατομμύρια δολάρια το 2023 σε 119,6 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2028.

Μια απλή εφαρμογή είναι η ανάπτυξη νέων ποικιλιών καλλιεργειών ανθεκτικών σε ασθένειες & παράσιτα ή πιο ανθεκτικών σε ξηρασία, καύσωνα, πλημμύρες και άλλες κλιματικές διαταραχές.

Μια άλλη δυνατότητα είναι η αλλαγή των βακτηρίων και μικροοργανισμών στα φυτά, μέσα στα φυτά και στο έδαφος. Αυτό θα μπορούσε να αντικαταστήσει την ανάγκη για χημικά λιπάσματα και φυτοφάρμακα με βακτήρια. Συζητήσαμε πώς θα μπορούσαμε να αλλάξουμε το μικροβίωμα των φυτών στο άρθρο Μηχανικοποιημένα Μικροβιώματα Φυτών — Προστασία Καλλιεργειών με Βακτήρια.

Πηγή: Energy.gov

Σε αυτό το πεδίο, έχουν εμφανιστεί μερικοί ηγέτες, κυρίως η Bayer (BAYRY). Η εταιρεία αποτελεί παράδειγμα της θολής γραμμής μεταξύ φαρμακευτικών και αγροτικών εταιρειών, με δραστηριότητες και στους δύο τομείς.

Συζητήσαμε αυτό το θέμα και τη Bayer στα άρθρα Προώθηση της Γεωργίας με AI και Γενετική Μηχανική – Το Μέλλον της Καλλιέργειας και Τεχνολογία Μικροχρωμοσώματος – Ο Καλύτερος Τρόπος για Βιώσιμη Ανάπτυξη στην Απόδοση των Καλλιεργειών;.

Εναλλακτικά Τρόφιμα

Η γονιδιακή επεξεργασία μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων τύπων τροφίμων. Για παράδειγμα, εντελώς νέες καλλιέργειες που δημιουργούνται από ζιζάνια μπορούν να αποτελέσουν μια επιλογή.

Υποκατάστατα κρέατος που αισθάνονται και γεύονται όπως το κρέας, ενώ έχουν καλύτερο προφίλ υγείας, θα μπορούσαν επίσης να δημιουργηθούν αλλάζοντας το γονιδίωμα των μανιταριών.

Βιοκαύσιμα & Ενέργεια

Αν τα φυτά ήταν η αρχική πηγή των ορυκτών καυσίμων πριν από εκατομμύρια χρόνια, θα μπορούσαν τα φρέσκα βιομάζα να μας τροφοδοτήσουν στο μέλλον;

Αυτή είναι η υπόσχεση των βιοκαυσίμων. Οι πρώτες δύο γενιές βιοκαυσίμων χρησιμοποιούσαν μόνο προϊόντα από παραδοσιακή γεωργία (1^st γενιά χρησιμοποιώντας προϊόντα τροφίμων όπως το καλαμπόκι, η 2^nd γενιά αγροτικά απόβλητα).

Αλλά η 3^rd γενιά βιοκαυσίμων επιδιώκει να χρησιμοποιήσει προσαρμοσμένους οργανισμούς για την άμεση παραγωγή καυσίμου πολύ πιο αποδοτικά, αποφεύγοντας την πίεση στην παραγωγή τροφίμων και την προμήθεια γλυκού νερού.

Τα βιοκαύσιμα είναι συχνά αιθανόλη, αλλά μπορούν επίσης να περιλαμβάνουν μια ποικιλία άλλων μορίων, όπως μακροαλυσίδες λιπαρών οξέων (παρόμοιες με το πετρέλαιο), βιοαέριο, υδρογόνο και αμμωνία.

Μια επιλογή είναι η χρήση άλγης, η οποία θα μπορούσε να καλλιεργηθεί στον ωκεανό ή σε ερήμους με θαλασσινό νερό. Εξετάσαμε αυτήν τη δυνατότητα στο άρθρο Αλγικό Βιοκαύσιμο: Η Επόμενη Ενεργειακή Επανάσταση;

Πηγή: Exxon

Μια άλλη επιλογή θα μπορούσε να είναι η μετατροπή γνωστών οργανισμών όπως το ζυμώδη σε φωτοσυνθετικές μηχανές, όπως διερευνήσαμε στο άρθρο Φωτεινό Χαρούμενο Ζυμώδης Μπορεί να Αλλάξει την Προσέγγισή μας στα Βιοκαύσιμα.

Τέλος, μια συγχώνευση βιοτεχνολογίας και νανοτεχνολογίας θα μπορούσε να δημιουργήσει βιοκαύσιμα 4^th γενιάς. Κάποιες φορές αποκαλείται φωτοβιολογικό ηλιακό καύσιμο. Αυτό θα παρακάμπτει την ανάγκη για ολόκληρους οργανισμούς και θα αναδημιουργούσε τη βιολογική φωτοσύνθεση σε κλίμακα μέσω νανοτεχνολογίας.

Κλιματική Αλλαγή

Ενώ τα βιοκαύσιμα θα μπορούσαν να αποτελέσουν σοβαρό παράγοντα στην καταπολέμηση της υπερθέρμανσης του πλανήτη και στη μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων, δεν είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι βιοτεχνολογίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν.

Στο άρθρο Επένδυση σε Μετοχές Βιοτεχνολογίας που Εργάζονται για Λύσεις στην Παγκόσμια Θέρμανση συζητήσαμε μερικές άλλες δυνατότητες:

• Δέσμευση άνθρακα, συμπεριλαμβανομένων των γενετικά τροποποιημένων δέντρων, βιοχάρ (σύλληψη άνθρακα σε ξυλάνθρα και έδαφος), φάρμες καλαμποκιού, λιπάσματα των μικροαλγών του ωκεανού με σίδηρο, κ.λπ.
• Μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από τη γεωργία.
• Παραγωγή υψηλής αξίας ενώσεων όπως αρώματα, μπαχαρικά και φαρμακευτικά προϊόντα σε βιοαντιδραστήρες αντί για τη συλλογή φυτών και ζώων.
• Κατακόρυφη ή εσωτερική γεωργία για τη μείωση της πίεσης σε γήινους και υδάτινους πόρους.

Πηγή: Medium

Υλικά και Βιομηχανικά Εφόδια

Ξύλο

Ένα από τα πιο αρχαία βιοϋλικά, το ξύλο, παραμένει σημαντικό υλικό στις σύγχρονες οικονομίες. Η βιομηχανία ξυλείας και δασοκομίας είναι ένας τεράστιος κλάδος αξίας 1,16 τρισεκατομμυρίων δολαρίων το 2024.

Λόγω της αργής ανάπτυξης και του μεγάλου χρόνου μεταξύ των γενεών, τα δέντρα έχουν παρατεταμένα εξαιρεθεί από τα προγράμματα γενετικής μηχανικής.

Η βελτιωμένη γενετική θα μπορούσε να ενισχύσει την παραγωγή ξύλου και τη δέσμευση άνθρακα.

Θα μπορούσε επίσης να δημιουργήσει νέες μορφές «καλλιέργειας δέντρων», όπου τα δέντρα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή νέων πολύτιμων ενώσεων, από φαρμακευτικά προϊόντα μέχρι χημικά.

Πηγή: Modern Agriculture

Αυτές οι έννοιες πιθανότατα θα ενσωματωθούν με την πρόοδο στην κατανόηση των οικοσυστημάτων, με έννοιες όπως αγροδασοκομία, δάση τροφίμων και βελτιστοποιημένη πολυειδής δασοκομία που ενισχύουν τόσο την παραγωγικότητα όσο και τα οικολογικά οφέλη.

Τέλος, το ξύλο μπορεί να είναι πολύ πιο ισχυρό υλικό από ό,τι αναμένεται. Ερευνητές ανακαλύπτουν ότι αλκαλικές συνθήκες, υψηλές θερμοκρασίες και βιοπολιμερή μπορούν να μετατρέψουν το ξύλο σε «ενισχυμένο ξύλο που μπορεί να έχει τη δύναμη του χάλυβα και μια άκαμπτη ισχύ 23 φορές μεγαλύτερη από το σκυρόδεμα».

Βιοπλαστικά & Βιοχημικά

Ένα μεγάλο μέρος της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων, καθώς και μια σημαντική πηγή ρύπανσης, αφιερώνεται στην παραγωγή πλαστικού, το οποίο θα μπορούσε να φτάσει το 20 % της κατανάλωσης πετρελαίου και αερίου το 2050.

Αυτό αποτελεί σημαντικό πρόβλημα καθώς αρχίζουμε να συνειδητοποιούμε ότι τα μικροπλαστικά γίνονται πανταχού παρόντα, τόσο στο σώμα μας όσο και στο βρόχο βροχής.

Η αντικατάσταση του πλαστικού που βασίζεται σε ορυκτά με βιοπλαστικό είναι μια δύσκολη αποστολή, με πολλές χημικές διεργασίες να απαιτούνται. Ωστόσο, αυτό είναι εφικτό και πιθανώς απαραίτητο αν θέλουμε να συνεχίσουμε τη χρήση πλαστικού χωρίς να ρυπαίνουμε ακατάσχετα το περιβάλλον.

Συζητάμε τις τεχνικές προκλήσεις και μερικές από τις πιο πρόσφατες καινοτομίες σε αυτόν τον κλάδο στο άρθρο Φιλικές προς το Περιβάλλον Εναλλακτικές στο Πλαστικό: Κλειδί για τις Προσπάθειες Βιωσιμότητας – Είναι τα Βιοδιασπώμενα Πλαστικά Λύση;. Οι κορυφαίες εταιρείες σε αυτόν τον κλάδο παρουσιάζονται στο “Top 5 Βιοπλαστικές Εταιρείες”.

Βιοβασισμένες εναλλακτικές βρίσκονται επίσης σε άλλους τομείς. Για παράδειγμα, για κόλλα, όπου η τοξική φορμαλδεΰδη μπορεί να αντικατασταθεί από λινίνη. Ή πώς πάνελ από κάνναβη (μη ψυχοδραστικά φυτά κάνναβης) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη θερμική μόνωση κτιρίων.

Ίνες Υφασμάτων

Οι ερευνητές κατάφεραν να μηχανικοποιήσουν εσπαστήριους ώστε να παράγουν σε κλίμακα αράχνια μεταξιού, ένα νήμα 6 × πιο ανθεκτικό από το Kevlar που χρησιμοποιείται σε αντιβλητικά γιλέκα. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε αεροδιαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές, καθώς και σε χειρουργικές ραφές. Ο αράχνης μεταξίτης θα μπορούσε ακόμη και να χρησιμοποιηθεί για ρομποτικούς μύες.

Αποκατάσταση Ρύπανσης & Περιβάλλον

Βακτήρια που Τρώνε Πλαστικό

Η ρύπανση από πλαστικό μπορεί επίσης να λυθεί με έναν άλλο τρόπο. Carbios, μια γαλλική startup, έχει εντοπίσει ένα βακτήριο με τροποποιημένο ένζυμο που διασπά το πλαστικό.

Μια άλλη εταιρεία, Epoch Biodesign δημιουργεί πρωτεΐνες ικανές να αποσυνθέτουν απορρυπαντικά, χρώματα, αγροχημικά, πλαστικά κ.λπ.

Ακόμη φυτά και μύκητες θα μπορούσαν να συμβάλουν στην αποσύνθεση του πλαστικού, προσθέτοντας στις διαθέσιμες λύσεις για την αντιμετώπιση της ρύπανσης.

Καθαρισμός Λυμάτων Στρωματικού Πετρελαίου

Πρόσφατα, μια νέα εφαρμογή αναδυόμενων βιοτεχνολογικών πεδίων, αρχικά αναπτυγμένη για την ανθρώπινη υγεία, εμφανίστηκε.

Χρησιμοποιώντας βακτηριοφάγους, οι ερευνητές κατάφεραν να μειώσουν τη ρύπανση που προκαλεί η επεξεργασία λυμάτων από την παραγωγή στρωματικού πετρελαίου. Συζητήσαμε λεπτομερώς πώς λειτουργεί στο άρθρο Βακτηριοφάγοι Θα Μπορούσαν να Μειώσουν τη Βλάβη που Προκαλεί η Υδροτριβή, Μια Διχότομη Πρακτική.

Αναζωογόνηση Νεκρών Ειδών

Η ρύπανση από πλαστικό ή η κλιματική αλλαγή δεν είναι η μόνη αρνητική επίδραση των ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Πολλά είδη βρίσκονται είτε σε κίνδυνο εξαφάνισης είτε έχουν εξαλειφθεί πριν από αιώνες ή χιλιετίες.

Στο άρθρο Προσπάθειες Διατήρησης Ενισχυμένες από τις Προόδους στη Βιοτεχνολογία – Οι Λευκοί Ρινόκεροι οι Πιο Πρόσφατοι Ωφελούμενοι, εξετάσαμε πώς η τελευταία πρόοδος στην τεχνητή αναπαραγωγή και τη γενετική μηχανική θα μπορούσε να σώσει απειλούμενα είδη όπως ο λευκός ρινόκερος, και ακόμη ίσως να φέρει ξανά στη ζωή είδη όπως το μαλλωπό μαμούθ.

Πηγή: Colossal

Αποθήκευση Δεδομένων σε DNA

Ένα νέο, απρόσμενο τμήμα για τη βιοτεχνολογία μπορεί να είναι η αποθήκευση δεδομένων, ένας τομέας που μέχρι τώρα είχε διατεθεί για ημιαγωγούς. Ωστόσο, το DNA είναι στην πραγματικότητα ένα εξαιρετικά πυκνό μέσο για πληροφορίες, με πυκνότητα πληροφορίας DNA 1,47 τεραμπίτ/mm² ή 950 τεραμπίτ/ίν², ή περισσότερο από 800 φορές την πυκνότητα των σκληρών δίσκων.

Μπορεί επίσης να έχει το μοναδικό πλεονέκτημα της σταθερότητας σε πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, χωρίς να απαιτεί ακριβά ή ρυπογόνα υλικά. Η αποθήκευση επίσης δεν απαιτεί ενέργεια.

Η πτώση του κόστους και οι βελτιώσεις στην ακρίβεια της συνθετικής σύνθεσης DNA καθιστούν πλέον δυνατή την αποθήκευση DNA υψηλής ποιότητας.

Ένα ζήτημα είναι η ανάγνωση του υλικού, η οποία είναι σημαντικά πιο πολύπλοκη από τα δεδομένα που γράφονται σε ημιαγωγούς. Έτσι, είναι πιθανό ότι η αποθήκευση DNA θα περιοριστεί σε αρχειοθετημένα δεδομένα και άλλα δεδομένα που δεν συμβουλεύονται συχνά στο προσεγγιστικό μέλλον.

Η Συμμαχία Αποθήκευσης Δεδομένων σε DNA δημιουργήθηκε πρόσφατα και περιλαμβάνει την εταιρεία σύνθεσης DNA Twist Biosciences, την εταιρεία αλληλούχισης γονιδιώματος Illumina, την εταιρεία αποθήκευσης δεδομένων Western Digital , τη Microsoft (MSFT ), τη Lenovo και πολλούς άλλους.

Μη-Φαρμακευτικές Εταιρείες Βιοτεχνολογίας

1. Ginkgo Bioworks

Η εταιρεία παράγει οργανισμούς κατά παραγγελία για συγκεκριμένες εφαρμογές. Αυτές περιλαμβάνουν βιοϊατρικές εφαρμογές καθώς και πληθώρα βιομηχανικών και υλικών επιστημών προγραμμάτων.

Η Ginkgo είναι ακριβώς ο τύπος εταιρείας που μεγάλες βιομηχανικές συγκροτήματα θα μπορούσαν να στραφούν για την μηχανική ενός προσαρμοσμένου ζυμώδους αφιερωμένου στην παραγωγή βιοκαυσίμων. Το ίδιο ισχύει για πολύτιμες σύνθετες χημικές ή μεθόδους απορρύπανσης.

Η Ginkgo Bioworks (DNA ) έχει διαφοροποιήσει τις εφαρμογές της ευρέως με πολλά ερευνητικά προγράμματα και συνεργασίες:

• Κανναβινοειδή
• παραγωγή εμβολίων mRNA και φαρμάκων νουκλεϊκών οξέων
• πρωτεΐνες τροφίμων
• παραγωγή βιολογικών λιπασμάτων σε συνεργασία με τη Bayer
• προγραμματιζόμενα μικρόβια για παθήσεις εντέρου
• Βιοαποκατάσταση μικροπλαστικών
• Βιοασφάλεια και ανίχνευση παθογόνων
• Ανακύκλωση αποβλήτων και ρύπων

Κερδίζει χρήματα λαμβάνοντας πρώτα προπληρωμή για τη διαδικασία ανάπτυξης και στη συνέχεια μέσω δικαιωμάτων χρήσης στο τελικό προϊόν.

Οι συνεργασίες της Ginkgo επεκτείνονται συνεχώς, με:

• Μια αυξανόμενη συνεργασία με τη Novo Nordisk.
• Μια συνεργασία με την Ιαπωνική εμπορική εταιρεία Sojitz Corporation.
• Χρηματοδότηση DARPA για νέες πρωτεΐνες που ελέγχουν τον πάγο σε ακραίες ψυχρές συνθήκες.
• $ 331 M συμφωνίες με τη Pfizer.
• $ 490 M συμφωνία με τη Merck για βελτιστοποίηση παραγωγής βιολογικών φαρμάκων.
• $ 406 M συμφωνία με τη Boehringer Ingelheim για μη-φάρμακα στόχους.

Η Ginkgo Bioworks συνεργάζεται επίσης με όλες τις μεγάλες αγροτικές εταιρείες, οι περισσότερες από τις οποίες έχουν ενδιαφέροντα στην παραγωγή βιοκαυσίμων και μικροβιολογία. Μερικές από αυτές περιλαμβάνουν τη Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta και άλλες.

Πηγή: Gingko Bioworks

2.  Bayer Crop Science  (BAYRY)

Η Bayer Crop Science, μέρος της Bayer Global (επίσης φαρμακευτική εταιρεία), εστιάζει σε καινοτομίες γύρω από σπόρους, χαρακτηριστικά και προστασία καλλιεργειών.

Οι καινοτομίες της Bayer έχουν βοηθήσει τους βιοτεχνολόγους της να κάνουν στοχευμένες βελτιώσεις στο DNA των φυτών.

Από τη συγχώνευσή της με τη Monsanto, είναι επίσης ηγέτης στις καλλιέργειες GMO και στη διαχείριση ζιζανίων. Αυτή η συγχώνευση ήρθε με το πρόβλημα των πολύ ακριβών αγωγών RoundUp, που προκάλεσαν την πτώση της μετοχής της εταιρείας τα επόμενα χρόνια.

Ελέγχει το μεγαλύτερο μέρος της παραδοσιακής αγοράς σπόρων GMO και εργάζεται επίσης στη χρήση CRISPR για την επόμενη γενιά σπόρων καλαμποκιού, σόγιας, σιταριού κ.λπ.

Τα οφέλη της προστασίας καλλιεργειών, σύμφωνα με τη Bayer, είναι τεράστια. Ο μηχανισμός προστασίας καλλιεργειών διασφαλίζει περίπου το 30 % της παγκόσμιας γεωργικής παραγωγής, ισοδυναμώντας με 550 εκατομμύρια τόνους τροφίμων που θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν πάνω από 2 δισεκατομμύρια ανθρώπους.

Πηγή: Bayer

Η Bayer μεταβαίνει από παραδοσιακά GMO μέσω μιας συνεργασίας με τη Ginkgo Bioworks (DNA), μία από τις μεγαλύτερες εταιρείες συνθετικής βιολογίας. Η συνεργασία εστιάζει στην ανάπτυξη βιολογικών εναλλακτικών στα χημικά λιπάσματα μέσω γονιδιακής επεξεργασίας μικροοργανισμών.

Είναι ηγέτης στην ποικιλία σπόρων και στη γονιδιακή επεξεργασία φυτών, με πάνω από 500 νέες ποικιλίες καλλιεργειών στον αγωγό της (και 250 νέες εγγραφές καλλιεργειών το 2022).

Η εταιρεία είναι επίσης ηγέτης στην ενσωμάτωση τεχνολογίας στη γεωργία. Για παράδειγμα, η Bayer υπέγραψε συνεργασία με τη Microsoft για να συνδυάσει το σύστημα διαχείρισης δεδομένων Azur της Microsoft με την τεχνογνωσία της Bayer στη χρήση δεδομένων από δορυφόρους, αισθητήρες πεδίου, drones, εξοπλισμό πεδίου και αισθητήρες εδάφους, δημιουργώντας πραγματικά σύγχρονα και συνδεδεμένα αγροκτήματα.

Πηγή: Bayer

Χάρη στην ηγεσία της σε GMO (παραδοσιακά και προχωρημένη γονιδιακή επεξεργασία), την επιλογή ποικιλιών φυτών και την ενσωμάτωση μεγάλων δεδομένων στη γεωργία, η Bayer θα ήταν φυσικός υποψήφιος για να συνοδεύσει τη διαδικασία δημιουργίας νέων ενδημικών καλλιεργειών, καθώς και την υπερφασματική ανίχνευση ζιζανίων από γεωργικά ρομπότ.