Bioteknologirevolusjonen for materialer, energi og næringsindustrier

Bioteknologi utover den medisinske sektoren

Mesteparten av oppmerksomheten i bioteknologisektoren er rettet mot medisin og farmasøytiske produkter. Årsakene er ganske åpenbare: Bioteknologier kan potensielt utrydde sjeldne og kroniske sykdommer, bekjempe aldring, og kurere kreft og smittsomme sykdommer.

Det er en svært lønnsom sektor, med mange av verdens største selskaper fokusert på den farmasøytiske sektoren.

Dette er imidlertid ikke det eneste anvendelsesområdet for bioteknologi. Tross alt er biosfæren som helhet i hovedsak en samling av nanomaskiner (proteiner og celler) som kan omdanne sollys og luft til materiale, mat og energi. Selv hele fossile brenselindustrien er basert på millioner av år med biologisk aktivitet som har skapt kull, olje og gass.

Så kan vår økende mestring av liv, ned til genetiske og molekylære nivåer, snart føre til at mange industrielle prosesser erstattes av mer bærekraftige, bioteknologidrevne teknologier.

Matproduksjon

Det første ikke-medisinske feltet hvor bioteknologi er direkte anvendelig, er landbruksproduksjon. GMO-avlinger har nå eksistert i flere tiår og forbedres raskt for å bli mye mer bærekraftige og mindre kontroversielle.

Landbrukbioteknologi anslås å øke fra $79,9 milliarder i 2023 til $119,6 milliarder i 2028.

En enkel anvendelse er utviklingen av nye avlingsvarianter som er resistente mot sykdommer og skadedyr, eller som er mer tolerante for tørke, hetebølger, flom og andre klimaforstyrrelser.

En annen mulighet er å endre bakterier og mikroorganismer på plantene, inne i plantene og i jorden. Dette kan erstatte behovet for kjemiske gjødselmidler og pesticider med bakterier. Vi diskuterte hvordan vi kunne endre plantenes mikrobiom i artikkelen “Engineered Plant Microbiomes—Protecting Crops with Bacteria”.

Kilde: Energy.gov

I dette feltet har noen ledere dukket opp, spesielt Bayer (BAYRY). Selskapet er et tydelig eksempel på den uklare grensen mellom farmasøytiske og landbruksselskaper, med aktiviteter i begge segmenter.

Vi diskuterte dette temaet og Bayer i artiklene “Advancing Agriculture with AI and Genetic Engineering – The Future of Cultivation” og “Minichromosome Technology – The Best Way to Sustainable Growth in Crop Yield?”.

Alternative matvarer

Genredigering kan også brukes til å lage nye typer mat. For eksempel kan helt nye avlinger laget fra ugress være et alternativ.

Kjøttsubstitutter som føles og smaker som kjøtt, samtidig som de har en bedre helsesammensetning, kan også skapes ved å endre soppens genom.

Biobrensel og energi

Hvis planter var den opprinnelige kilden til fossile brensler for millioner av år siden, kan nyvokst biomasse drive oss i fremtiden?

Dette er løftet om biobrensel. De første to generasjonene av biobrensel brukte kun produkter fra tradisjonelt jordbruk (1. generasjon som bruker matprodukter som mais, 2. generasjon som bruker landbruksavfall).

Men den 3. generasjonen av biobrensel ser etter å bruke skreddersydde organismer for å produsere drivstoff direkte, mye mer effektivt, samtidig som den unngår press på matproduksjon og ferskvannsforsyning.

Biobrensel er ofte etanol, men kan også omfatte en rekke andre molekyler, inkludert langkjedede fettsyrer (lik olje), biogass, hydrogen og ammoniakk.

Et alternativ er å bruke alger, som kan dyrkes i havet eller i ørkener med sjøvann. Vi utforsket denne muligheten i “Algal Biofuel: The Next Energy Revolution?”.

Kilde: Exxon

Et annet alternativ kan være å gjøre kjente organismer som gjær til fotosyntetiske maskiner, som vi undersøkte i “Light Happy Yeast May Change Our Approach to Biofuels”.

Til slutt kan en fusjon av bioteknologi og nanoteknologi skape 4. generasjons biobrensel. Det kalles også noen ganger “fotobiologisk solenergi“. Dette vil omgå behovet for hele organismer og gjenskape biologisk fotosyntese i stor skala gjennom nanoteknologi.

Klimaforandringer

Selv om biobrensel kan være en viktig bidragsyter til å bekjempe global oppvarming og redusere bruken av fossile brensler, er dette ikke den eneste måten bioteknologier kan hjelpe.

I “Investing In Biotech Stocks Working On Global Warming Solutions” diskuterte vi noen andre muligheter:

• Karbonfangst, inkludert gjennom genetisk modifiserte trær, biochar (fangst av karbon i trekull og jord), kelp- tanggårder, gjødsling av havets mikroalger med jern, osv.
• Reduksjon av klimagassutslipp fra jordbruk.
• Produksjon av høyverdige forbindelser som parfymer, krydder og farmasøytiske produkter i bioreaktorer i stedet for å høste planter og dyr.
• Vertikalt eller innendørs jordbruk for å redusere press på land- og vannressurser.

Kilde: Medium

Materialer og industrielle forsyninger

Tre

Et av de eldste biomaterialene, tre, er fortsatt et viktig materiale i dagens moderne økonomier. Tømmer- og skogbruk er en enorm industri verdt $1,16 billioner i 2024.

På grunn av deres langsomme vekst og lange generasjonsintervall har trær lenge vært ekskludert fra genetiske ingeniørprogrammer.

Forbedret genetikk kan øke treproduksjon og karbonfangst.

Det kan også skape nye former for “trebruk”, hvor trær brukes til å produsere nye verdifulle forbindelser, fra farmasøytiske produkter til kjemikalier.

Kilde: Modern Agriculture

Disse konseptene vil sannsynligvis bli integrert med fremskrittene i forståelsen av økosystemer, med konsepter som agroforestry, mat-skoger og optimalisert flerarts skogbruk som øker både produktivitet og økologiske fordeler.

Til slutt kan tre være et mye kraftigere materiale enn forventet. Forskere oppdager at alkaliske forhold, høye temperaturer og biopolymerer kan forvandle tre til «forsterket tre som kan ha styrken til stål og en stivhet 23 ganger større enn betong».

Bioplast og biokjemikalier

En stor del av forbruket av fossilt brensel, samt en betydelig kilde til forurensning, er dedikert til produksjon av plast, som kan nå 20 % av olje- og gassforbruket i 2050.

Dette er et viktig problem ettersom vi begynner å innse at mikroplast blir allestedsnærværende, både i kroppene våre og til og med i regnvann.

Å erstatte fossilbasert plast med bioplast er en vanskelig oppgave, med mye kjemisk ingeniørarbeid som fortsatt trengs. Men dette kan gjøres og er sannsynligvis nødvendig hvis vi vil fortsette å bruke plast uten å forurense miljøet på en uopprettelig måte.

Vi diskuterer de tekniske utfordringene og noen av de nyeste innovasjonene i denne sektoren i “Eco-Friendly Alternatives to Plastics Key to Sustainability Efforts: Are Biodegradable Plastics a Solution?“. Og de ledende selskapene i denne sektoren i “Top 5 Bioplastics Companies“.

Biobaserte alternativer blir også funnet i andre felt. For eksempel, for lim, hvor giftig formaldehyd kan erstattes av lignin. Eller hvordan paneler laget av hamp (ikke-psykoaktive cannabisplanter) kan brukes til termisk isolering av bygninger.

Tekstilfibre

Forskere har klart å konstruere silkeorm som kan produsere silke i stor skala, et fiber 6 ganger sterkere enn Kevlar brukt i skuddsikre vester. Det kan brukes i romfart og militære anvendelser, samt kirurgiske suturer. Silke fra edderkopp kan til og med brukes til robotiske muskler.

Forurensningsrensing og miljø

Plastspisende bakterier

Plastforurensning kan også løses på en annen måte. Carbios, en fransk oppstartsbedrift, har identifisert en bakterie med et modifisert enzym som fordøyer plast.

Et annet selskap, Epoch Biodesign lager proteiner som kan bryte ned vaskemidler, maling, agro‑kjemikalier, plast osv.

Selv planter og sopp kan bidra til nedbrytning av plast, og legge til de tilgjengelige løsningene for å løse forurensning.

Rensing av skiferoljeavløpsvann

Nylig har en ny anvendelse av fremvoksende bioteknologifelt, opprinnelig utviklet for menneskers helse, dukket opp.

Ved å bruke bakteriofager har forskere klart å redusere forurensningen forårsaket av behandling av avløpsvann fra skiferoljeproduksjon. Vi diskuterte i detalj hvordan det fungerer i “Bacteriophages Could Reduce Harm Caused by Fracking, A Notoriously Divisive Practice“.

Gjenoppliving av utdødde arter

Plastforurensning eller klimaendringer er ikke den eneste negative påvirkningen fra menneskelige aktiviteter. Mange arter er enten i fare for utryddelse eller ble utryddet for århundrer eller årtusener siden.

I “Conservation Efforts Boosted by Advances in BioTech – White Rhinos Latest to Benefit” så vi på hvordan de siste fremskrittene innen kunstig avl og genetisk engineering kan redde truede arter som den hvite neshornet, og kanskje også bringe arter som mammuten tilbake til livet.

Kilde: Colossal

DNA-datalagring

Et nytt uventet område for bioteknologi kan være datalagring, et felt som hittil har vært reservert for halvledere. DNA er imidlertid et usedvanlig tett medium for informasjon, med en informasjonsdensitet på 1,47 terabit/mm² eller 950 terabit/in², mer enn 800 ganger tettheten til harddisker.

Det kan også ha den unike fordelen å være stabil over svært lange perioder uten å kreve dyre eller forurensende materialer. Lagring krever heller ingen energi.

Synkende kostnader og forbedringer i nøyaktigheten til syntetisk DNA-syntese gjør nå høy‑kvalitets DNA‑lagring mulig.

Et problem er å lese materialet, noe som er betydelig mer komplekst enn data skrevet på halvleder‑substrater. Derfor vil DNA‑lagring sannsynligvis være begrenset til arkivdata og annen data som ikke konsulteres ofte i overskuelig fremtid.

The DNA Data Storage Alliance (DTST ) ble nylig opprettet og inkluderer DNA‑syntese‑selskapet Twist Biosciences, genomsekvenserings‑selskapet Illumina, datalagrings‑selskapet Western Digital , Microsoft (MSFT ), Lenovo, og mange andre.

Bioteknologiselskaper utenfor farmasøytisk sektor

1. Ginkgo Bioworks

Selskapet produserer organismer på bestilling for spesifikke anvendelser. Disse inkluderer biomedisinske anvendelser og mange programmer innen industri- og materialvitenskap.

Ginkgo er akkurat den typen selskap som store industrielle konglomerater kan henvende seg til for å utvikle en skreddersydd gjær dedikert til produksjon av biobrensel. Det samme gjelder for verdifulle komplekse kjemikalier eller avløsningsmetoder.

Ginkgo Bioworks (DNA ) har diversifisert sine anvendelser bredt med mange forskningsprogrammer og partnerskap:

• Cannabinoider
• mRNA‑vaksineproduksjon og nukleinsyremedisin
• Matproteiner
• Biologisk gjødselproduksjon i samarbeid med Bayer
• Programmerbare mikrober for tarmsykdommer
• Bioremediering av mikroplast
• Biologisk sikkerhet og påvisning av patogener
• Resirkulering av avfall og forurensninger

Den tjener penger ved først å få betalt på forhånd for utviklingsprosessen, og deretter gjennom royalties på det ferdige produktet.

Ginkgos partnerskap utvides stadig, med:

• Et voksende partnerskap med Novo Nordisk.
• Et partnerskap med det japanske handelsfirmaet Sojitz Corporation.
• DARPA‑finansiering for nye proteiner som kan kontrollere is i ekstreme kuldeforhold.
• $331 M avtaler med Pfizer.
• $490 M avtale med Merck for å optimalisere produksjon av biologika.
• $406 M avtale med Boehringer Ingelheim for mål som ikke kan behandles med legemidler.

Ginkgo Bioworks samarbeider også med alle de store landbrukskonsernene, hvorav mange har interesser i produksjon av biobrensel og mikrobiologi. Noen av disse inkluderer Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta og flere.

Kilde: Gingko Bioworks

2.  Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Science, en del av Bayer Global (også et farmasøytisk selskap), fokuserer på innovasjoner rundt frø, egenskaper og avlingsbeskyttelse.

Bayers innovasjoner har hjulpet deres bioteknologiforskere med å gjøre målrettede forbedringer i plantens DNA.

Siden fusjonen med Monsanto er det også en leder innen GMO‑avlinger og ugresskontroll. Denne fusjonen medførte problemet med svært kostbare RoundUp‑søksmål, som fikk selskapets aksjekurs til å falle i årene etter fusjonen.

Det kontrollerer mesteparten av det tradisjonelle GMO‑frømarkedet og arbeider også med å bruke CRISPR for neste generasjon frø for mais, soyabønner, hvete osv.

Ifølge Bayer er fordelene med avlingsbeskyttelse enorme. Beskyttelsesmekanismen sikrer omtrent 30 % av verdens landbruksutbytte, tilsvarende 550 millioner tonn mat som kan føde mer enn 2 milliarder mennesker.

Kilde: Bayer

Bayer går fra tradisjonelle GMOer gjennom et partnerskap med Ginkgo Bioworks (DNA), et av de største syntetiske biologi‑selskapene. Partnerskapet fokuserer på å utvikle biologiske alternativer til kjemiske gjødselmidler via genredigering av mikroorganismer.

Det er en leder innen frøvarianter og genredigering i planter, med over 500 nye avlingsvarianter i sin pipeline (og 250 nye avlingsregistreringer i 2022).

Selskapet er også en leder i å integrere teknologi i jordbruket. For eksempel har Bayer inngått et partnerskap med Microsoft for å kombinere teknologigigantens datastyringssystem Azure med Bayers ekspertise i bruk av data fra satellitter, feltsensorer, droner, landbruksutstyr og jord‑sensorer for å skape virkelig moderne og sammenkoblede gårder.

Kilde: Bayer

Takket være sin ledelse innen GMO (tradisjonelle og avanserte genredigeringer), valg av plantevarianter og integrering av big data i jordbruket, vil Bayer være en naturlig kandidat til å følge prosessen med å skape de‑novo domestiserte avlinger, samt hyperspektral deteksjon av ugress ved hjelp av jordbruk‑roboter.