La revolución de la biotecnología para las industrias de materiales, energía y alimentos

Biotecnología más allá del sector médico

La mayor parte de la atención en el sector de la Biotecnología se dirige a la medicina y los productos farmacéuticos. Las razones son bastante obvias: las biotecnologías pueden potencialmente erradicar enfermedades raras y crónicas, combatir el envejecimiento y curar el cáncer y las enfermedades infecciosas.

Es un sector muy rentable, con muchas de las empresas más grandes del mundo centradas en el sector farmacéutico.

Sin embargo, este no es el único campo de aplicación de la BioTecnología. Después de todo, la biosfera en su conjunto es esencialmente un conjunto de nanomáquinas (proteínas y células) capaces de procesar la luz solar y el aire para convertirlos en material, alimento y energía. Incluso toda la industria de los combustibles fósiles se basa en millones de años anteriores de actividad biológica que crearon carbón, petróleo y gas.

Por lo tanto, nuestro creciente dominio sobre la vida, hasta los niveles genético y molecular, pronto podría ver muchos procesos industriales reemplazados por tecnologías más sostenibles impulsadas por la biotecnología.

La producción de alimentos

El primer campo no médico donde la biotecnología es directamente aplicable es la producción agrícola. Los cultivos transgénicos tienen ahora décadas de antigüedad y están mejorando rápidamente para volverse mucho más sostenibles y menos controvertidos.

Se estima que la biotecnología agrícola aumentará de 79.9 millones de dólares en 2023 a 119.6 millones de dólares en 2028..

Una aplicación sencilla es el desarrollo de nuevas variedades de cultivos resistentes a enfermedades y plagas o más tolerantes a sequías, olas de calor, inundaciones y otras perturbaciones climáticas.

Otra posibilidad es cambiar las bacterias y microorganismos de las plantas, del interior de las plantas y del suelo. Esto podría reemplazar la necesidad de fertilizantes químicos y pesticidas con bacterias. Discutimos cómo podríamos cambiar el microbioma de la planta en nuestro artículo "Microbiomas vegetales diseñados: protección de cultivos con bacterias."

Fuente: Energy.gov

En este campo han surgido algunos líderes, en particular Bayer (Bayry). La empresa es un ejemplo de la borrosa línea entre las empresas farmacéuticas y agrícolas, con actividades en ambos segmentos.

Hablamos de este tema y de Bayer en nuestros artículos “Avance de la agricultura con IA e ingeniería genética: el futuro del cultivo" y "Tecnología de minicromosomas: ¿la mejor manera de lograr un crecimiento sostenible en el rendimiento de los cultivos?.

Alimentos alternativos

La edición genética también se puede utilizar para crear nuevos tipos de alimentos. Por ejemplo, cultivos completamente nuevos creado a partir de malezas puede ser una opción.

También se podrían crear sustitutos de la carne que se sientan y sepan a carne, aunque tengan un mejor perfil de salud, cambiando el genoma de los hongos..

Biocombustibles y energía

Si las plantas fueron la fuente original de combustibles fósiles hace millones de años, ¿podría la biomasa recién cultivada alimentarnos en el futuro?

Ésta es la promesa de los biocombustibles. Las dos primeras generaciones de biocombustibles sólo utilizaban productos procedentes de la agricultura tradicional (1^st generación utilizando productos alimenticios como el maíz, la 2^nd generación de residuos agrícolas).

Pero el 3^rd La generación de biocombustibles busca utilizar organismos personalizados para producir directamente combustible de manera mucho más eficiente y al mismo tiempo evitar ejercer presión sobre la producción de alimentos y el suministro de agua dulce.

Los biocombustibles suelen ser etanol, pero también pueden incluir una variedad de otras moléculas, incluidos ácidos grasos de cadena larga (similares al petróleo), biogás, hidrógeno y amoníaco.

Una opción es utilizar algas, que podrían cultivarse en el océano o en desiertos con agua de mar. Exploramos esta posibilidad en “Biocombustible de algas: ¿la próxima revolución energética?"

Fuente: Exxon

Otra opción podría ser convertir organismos conocidos como la levadura en máquinas fotosintéticas, como investigamos en "La levadura ligera y feliz puede cambiar nuestro enfoque hacia los biocombustibles.

Por último, una fusión de biotecnología y nanotecnología podría crear 4^th biocombustibles de generación. A veces también se le llama “combustible solar fotobiológico“. Esto evitaría la necesidad de organismos completos y recrearía la fotosíntesis biológica a escala mediante la nanotecnología.

Cambio climático

Si bien los biocombustibles podrían contribuir seriamente a combatir el calentamiento global y reducir el uso de combustibles fósiles, esta no es la única forma en que las biotecnologías podrían ayudar.

En la opciónInvertir en acciones de biotecnología Trabajar en soluciones para el calentamiento global” Discutimos algunas otras posibilidades:

• Captura de carbono, incluso mediante árboles genéticamente modificados, biocarbón (atrapando carbono en el carbón y el suelo), granjas de algas marinas, fertilizando las microalgas de los océanos con hierro, etc.
• Reducir las emisiones agrícolas de gases de efecto invernadero.
• Producir compuestos de alto valor como perfumes, especias y productos farmacéuticos en biorreactores en lugar de cosechar plantas y animales.
• Agricultura vertical o de interior para reducir la presión sobre los recursos terrestres y hídricos.

Fuente: Media

Materiales Y Suministros Industriales

Madera

Uno de los biomateriales más antiguos, la madera, sigue siendo un material importante en las economías modernas actuales. La madera y la silvicultura constituyen una industria enorme. valorado en 1.16 billones de dólares en 2024.

Debido a su lento crecimiento y al tiempo entre generaciones, los árboles han sido excluidos durante mucho tiempo de los programas de ingeniería genética.

La genética mejorada podría impulsar la producción de madera y la captura de carbono.

También podría crear nuevas formas de “cultivo de árboles”, donde los árboles se utilizan para producir nuevos compuestos valiosos, desde productos farmacéuticos hasta productos químicos.

Fuente: Agricultura moderna

Es probable que estos conceptos se integren con los avances logrados en la comprensión de los ecosistemas, con conceptos como la agrosilvicultura, los bosques alimentarios y la silvicultura optimizada de múltiples especies que impulsarán tanto la productividad como los beneficios ecológicos.

Finalmente, la madera podría ser un material mucho más potente de lo esperado. Los investigadores están descubriendo que las condiciones alcalinas, las altas temperaturas y los biopolímeros pueden convertir la madera en “madera aumentada que puede tener la resistencia del acero y una rigidez 23 veces mayor que la del hormigón”.

Bioplásticos y bioquímicos

Gran parte del consumo de combustibles fósiles, además de una importante fuente de contaminación, se dedica a la producción de plástico, que podría alcanzar el 20% del petróleo y consumo de gas en 2050.

Este es un problema importante a medida que empezamos a darnos cuenta de que los microplásticos se están volviendo omnipresentes, tanto en nuestros cuerpos e incluso en agua de lluvia.

Reemplazar el plástico derivado de combustibles fósiles por bioplástico es una tarea difícil y aún se necesita mucha ingeniería química. Pero esto se puede hacer y probablemente sea necesario si queremos seguir usando plástico sin contaminar irremediablemente nuestro medio ambiente.

Discutimos los desafíos técnicos y algunas de las últimas innovaciones en este sector en “Alternativas ecológicas a los plásticos clave para los esfuerzos de sostenibilidad: ¿Son los plásticos biodegradables una solución?”. Y las empresas líderes de este sector en el “Las 5 principales empresas de bioplásticos.

También se están encontrando alternativas de base biológica en otros campos. Por ejemplo, para pegamento, donde el formaldehído tóxico puede ser reemplazado por lignina. O como Los paneles hechos de cáñamo (plantas de cannabis no psicoactivas) se pueden utilizar para el aislamiento térmico de edificios..

Fibras Textiles

Los investigadores han logrado diseñar gusanos de seda capaces de producir a escala seda de araña, una fibra 6 veces más resistente que el Kevlar utilizado en los chalecos antibalas. Podría usarse en aplicaciones aeroespaciales y militares, así como en suturas quirúrgicas. seda de araña Incluso podría usarse para músculos robóticos..

Remediación de la contaminación y medio ambiente

Bacterias que comen plástico

La contaminación plástica también se puede solucionar de otra forma. carbios, una startup francesa ha Identificaron una bacteria con una enzima modificada que digiere el plástico..

Otra compañía, Epoch Biodesign crea proteínas capaces de degradar detergentes, pinturas, agroquímicos, plásticos, etc.

Incluso plantas  y hongos podría contribuir a la degradación del plástico, sumándose a las soluciones disponibles para remediar la contaminación.

Limpieza de aguas residuales de petróleo de esquisto

Más recientemente, apareció una nueva aplicación de campos biotecnológicos emergentes inicialmente desarrollados para la salud humana.

Mediante el uso de bacteriófagos, los investigadores han logrado reducir la contaminación causada por el procesamiento de aguas residuales de la producción de petróleo de esquisto. Discutimos en detalle cómo funciona en “Los bacteriófagos podrían reducir el daño causado por el fracking, una práctica notoriamente divisiva.

Resucitar especies muertas

La contaminación plástica o el cambio climático no es el único impacto negativo de las actividades humanas. Muchas especies están en peligro de extinción o fueron exterminadas hace siglos o milenios.

En la opciónEsfuerzos de conservación impulsados ​​por avances en biotecnología: los rinocerontes blancos son los últimos en beneficiarse”, analizamos cómo los últimos avances en reproducción artificial e ingeniería genética podrían salvar especies en peligro de extinción como el rinoceronte blanco, e incluso tal vez devolver a la vida especies como el mamut lanudo.

Fuente: Colosal

Almacenamiento de datos de ADN

Un nuevo segmento inesperado para la biotecnología podría ser el almacenamiento de datos, un campo que hasta ahora estaba reservado a los semiconductores. Sin embargo, el ADN es en realidad un medio extraordinariamente denso para la información, siendo la densidad de información del ADN de 1.47 terabit/mm2 o 950 terabit/in2, o más de 800 veces la densidad de los discos duros.

También podría tener la ventaja única de ser estable durante un período muy largo sin requerir materiales costosos o contaminantes. El almacenamiento tampoco requiere energía.

La disminución de los costos y las mejoras en la precisión de la síntesis de ADN sintético ahora hacen posible el almacenamiento de ADN de alta calidad.

Un problema es la lectura del material, que es significativamente más compleja que los datos escritos en sustratos semiconductores. Por lo tanto, es probable que en el futuro previsible el almacenamiento de ADN se limite a datos de archivo y otros datos que no se consulten con frecuencia.

La Alianza de Almacenamiento de Datos de ADN se formó recientemente e incluye una empresa de síntesis de ADN Giro de las biociencias, empresa de secuenciadores genómicos Illumina, empresa de almacenamiento de datos Dígitos occidentalesyo, Microsoft, Lenovo y muchos otros.

Empresas de biotecnología no farmacéuticas

1. Ginkgo Bioworks

La empresa produce organismos bajo demanda para aplicaciones específicas. Estos incluyen aplicaciones biomédicas y muchos programas de ciencias industriales y de materiales.

Gingko es exactamente el tipo de empresa a la que los grandes conglomerados industriales podrían recurrir para diseñar una levadura personalizada dedicada a la producción de biocombustibles. Lo mismo se aplica a los valiosos productos químicos complejos o a los métodos de descontaminación.

Ginkgo Bioworks ha diversificado ampliamente sus aplicaciones con muchos programas de investigación y asociaciones:

• Los cannabinoides
• Producción de vacunas de ARNm y medicina de ácidos nucleicos.
• Proteínas alimentarias
• Producción de fertilizantes biológicos. en asociación con Bayer
• Microbios programables para enfermedades intestinales.
• Biorremediación de microplásticos
• Bioseguridad y detección de patógenos.
• Reciclaje de residuos y contaminantes

Gana dinero al recibir primero un pago por adelantado por el proceso de desarrollo y luego mediante regalías por el producto terminado.

Las alianzas de Gingko se encuentran en constante expansión, con:

• Una asociación cada vez mayor con Novo Nordisk.
• Aasociación con la empresa comercial japonesa Sojitz Corporation.
• Financiamiento de DARPA para nuevas proteínas para controlar el hielo en ambientes de clima extremadamente frío.
• Ofertas de 331M$ con Pfizer.
• Acuerdo de 490 millones de dólares con Merck para optimizar la fabricación de productos biológicos.
• Acuerdo de 406 millones de dólares con Boehringer Ingelheim para objetivos no farmacológicos.

Ginkgo Bioworks también está asociado con las principales corporaciones agrícolas, la mayoría de las cuales tienen intereses en la producción de biocombustibles y la microbiología. Algunos de ellos incluyen Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta y más.

Fuente: Gingko Bioworks

2.  Bayer Crop Science  (Bayry)

Bayer Crop Science, parte de Bayer Global (también una empresa farmacéutica), se centra en innovaciones en torno a semillas, características y protección de cultivos.

Las innovaciones de Bayer han ayudado a sus científicos de biotecnología a realizar mejoras específicas en el ADN de las plantas.

Desde su fusión con Monsanto, también es líder en cultivos transgénicos y manejo de malezas. Esta fusión trajo consigo el problema de costosas demandas por RoundUp, lo que provocó la caída de las acciones de la compañía en los años posteriores a la fusión.

Controla la mayor parte del mercado tradicional de semillas transgénicas y también está trabajando en el uso de CRISPR para la próxima generación de semillas de maíz, soja, trigo, etc.

Los beneficios para la protección de cultivos, según Bayer, son enormes. El mecanismo de protección de cultivos salvaguarda alrededor del 30 por ciento de los rendimientos agrícolas en todo el mundo, lo que equivale a 550 millones de toneladas de alimentos que podrían alimentar a más de 2 mil millones de personas.

Fuente: Bayer

Bayer se aleja de los OGM tradicionales a través de una asociación con Gingko Bioworks (ADN), una de las mayores empresas de biología sintética. La asociación se centra en el desarrollo de alternativas biológicas a los fertilizantes químicos mediante la edición genética de microorganismos.

Es líder en variedades de semillas y edición de genes en plantas, con más de 500 nuevas variedades de cultivos en cartera (y 250 nuevos registros de cultivos en 2022).

La empresa también es líder en la integración de tecnología en la agricultura. Por ejemplo, Bayer firmó una asociación con Microsoft combinar el sistema de gestión de datos Azur del gigante tecnológico con la experiencia de Bayer en el uso de datos de satélites, sensores de campo, drones, equipos de campo y sensores de suelo para crear granjas verdaderamente modernas y conectadas.

Fuente: Bayer

Gracias a su liderazgo en OGM (edición genética tradicional y avanzada), selección de variedades vegetales e integración de big data en la agricultura, Bayer sería un candidato natural para acompañar el proceso de creación de cultivos domesticados de novo, así como la detección hiperespectral de malezas. por robots agrícolas.