什么是合成生物學(xué)它將如何改變制造業(yè)

什么是合成生物學(xué)?它將如何改變制造業(yè)?

合成生物學(xué)是一個(gè)將工程原理應(yīng)用于生物學(xué)的新興領(lǐng)域，有朝一日可能意味著我們以類似于電子和機(jī)械設(shè)備的方式創(chuàng)造我們的食品和其他生物材料。

當(dāng)工程師考慮原材料時(shí)，他們通常會(huì)想到構(gòu)成我們?cè)O(shè)備及其組件的各種礦石和礦物質(zhì)。另一方面，生物學(xué)家考慮構(gòu)成各種生物的基本構(gòu)件的細(xì)胞。

但由于一個(gè)名為合成生物學(xué)的新興領(lǐng)域，這種區(qū)別可能正在消失。這是一個(gè)結(jié)合了工程原理和生物學(xué)的領(lǐng)域。如果它的想法激增，我們有朝一日可能會(huì)在我們的設(shè)備中使用越來(lái)越多的生物材料......我們可能會(huì)以類似于我們?cè)诠S中組裝電子和機(jī)械組件的方式制作這些材料。想象一下，通過(guò)組合標(biāo)準(zhǔn)化和可靠的基本組件，我們能夠以與組裝手機(jī)或汽車相同的方式組裝食品。

“世界正在發(fā)生變化，傳統(tǒng)的制造和生存方式無(wú)法讓我們走到我們需要的地方，”Sridhar Iyengar是Elemental Machines的首席執(zhí)行官，Elemental Machines是數(shù)據(jù)科學(xué)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)解決方案提供商，為合成公司提供服務(wù)生物產(chǎn)業(yè)等在最近的2019年太平洋設(shè)計(jì)與制造展上向觀眾講述。“據(jù)估計(jì)，到2050年，地球上將有100億人口。這在運(yùn)輸，食品，可持續(xù)性，住房和建筑材料方面都存在問(wèn)題......我們無(wú)法繼續(xù)按照我們的方式生產(chǎn)人類食品。 ”

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通過(guò)3D打印從原型設(shè)計(jì)到驗(yàn)證降低成本

各行各業(yè)的工程師和設(shè)計(jì)師正在利用內(nèi)部3D打印來(lái)縮短設(shè)計(jì)周期并降低成本。在本次網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)中，了解電力行業(yè)制造商Cutsforth 25年來(lái)如何使用3D打印快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)化制造。

但是合成生物學(xué)提供了一種旨在利用生物學(xué)來(lái)制造產(chǎn)品的解決方案，Iyengar說(shuō)。例如，想象一下，如果可以在工廠中使用可以使用人工方法構(gòu)建生物系統(tǒng)的機(jī)器來(lái)創(chuàng)建生物材料。

艾揚(yáng)格首先承認(rèn)這個(gè)概念聽起來(lái)像科幻小說(shuō)。但實(shí)際上，他向觀眾指出了合成生物學(xué)的一些鮮明例子。

雞還是雞蛋

你能沒有雞蛋嗎?根據(jù)舊金山的Just you can。公司也這樣做。其中一種產(chǎn)品Just Egg是一種由植物制成的蛋制品。“雞蛋只是一堆分子和蛋白質(zhì)，”艾揚(yáng)格說(shuō)。“[合成生物學(xué)]將動(dòng)物視為制造商。如果你解構(gòu)它，雞蛋就是一堆蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)很難在實(shí)驗(yàn)室中制作，但猜測(cè)什么是非常擅長(zhǎng)制造蛋白質(zhì)......細(xì)胞。“

通過(guò)從綠豆中剔除蛋白質(zhì)，該公司能夠使用這些蛋白質(zhì)來(lái)制造具有蛋黃質(zhì)地，稠度和味道的物質(zhì)。Just說(shuō)，它也不含膽固醇，比養(yǎng)雞更少水和更少的碳排放。

另一家公司，Not Company，采取類似的方法來(lái)制作牛奶，制作沒有奶牛的牛奶(稱為非牛奶)。從生物學(xué)的角度來(lái)看，“牛奶是一堆含有脂肪和碳水化合物等額外分子的蛋白質(zhì)，”Iyengar指出，這意味著它可以使用重新配置的細(xì)胞的正確組合來(lái)生產(chǎn)。

他補(bǔ)充說(shuō)，廣泛使用和生產(chǎn)無(wú)牛奶也會(huì)產(chǎn)生積極的環(huán)境影響。“奶牛放出甲烷。甲烷對(duì)環(huán)境的破壞性比汽車產(chǎn)生的二氧化碳高約20倍。從這個(gè)意義上講，奶牛比汽車更危險(xiǎn)。“

如果你認(rèn)為所有這些僅限于不那么豐盛的食物，Just和其他公司如舊金山的Memphis Meats正在開發(fā)不需要?jiǎng)游锏募?xì)胞肉。

總部位于加利福尼亞州埃默里維爾的Bolt Threads使用酵母蛋白制造織物和其他材料，以制造出synethic蜘蛛絲。除了制造價(jià)格為314美元(Bolt Threads銷售)之外，蜘蛛絲因其抗拉強(qiáng)度和其他性能而受到許多研究人員的歡迎，這可能會(huì)導(dǎo)致下一代復(fù)合材料的發(fā)展。

癌癥問(wèn)題

合成生物學(xué)可以利用植物或動(dòng)物細(xì)胞。將每個(gè)單元視為工廠，只有一個(gè)制造生物產(chǎn)品而不是電氣和機(jī)械組件和零件。通過(guò)插入新的原材料(在這種情況下是DNA，而不是原始礦物質(zhì))修改實(shí)驗(yàn)室中的細(xì)胞，可以配置和重新配置細(xì)胞以產(chǎn)生所需的任何物質(zhì)。因此，植物細(xì)胞可以產(chǎn)生蛋樣蛋白質(zhì)，或者動(dòng)物細(xì)胞可以生產(chǎn)肉類而不需要飼養(yǎng)和屠宰動(dòng)物。

但I(xiàn)yengar認(rèn)為，這也是限制和挑戰(zhàn)的來(lái)源。“使用動(dòng)物細(xì)胞的一個(gè)問(wèn)題是它們變老并死亡。因此，一方面你需要不斷獲得越來(lái)越多的供體細(xì)胞，當(dāng)你這樣做時(shí)，生長(zhǎng)期可能非常棘手，“他說(shuō)。

“理想情況下，你想要的是一遍又一遍的相同細(xì)胞，”艾揚(yáng)格補(bǔ)充道。這是因?yàn)椴煌膯卧拖袼鼈冏约旱莫?dú)立工廠，每個(gè)工廠都需要獨(dú)特的協(xié)議。一旦你區(qū)分細(xì)胞，它就需要自己的過(guò)程，這會(huì)破壞合成生物學(xué)提供的所有效率。

然而，有一種類型的動(dòng)物細(xì)胞不會(huì)死亡 - 癌細(xì)胞。癌細(xì)胞將無(wú)限生長(zhǎng)，為合成生物學(xué)提供無(wú)數(shù)的工廠和材料。“但為了使這項(xiàng)工作，你正在使用癌癥的捐贈(zèng)細(xì)胞...這不是很吸引人，”艾揚(yáng)格說(shuō)。

他說(shuō)，目前的解決方案是采集供體細(xì)胞并在生物反應(yīng)器內(nèi)生長(zhǎng)，促進(jìn)它們的發(fā)育，就好像它們處于自然環(huán)境中一樣。他還表示，較大的行業(yè)正在轉(zhuǎn)向創(chuàng)建干細(xì)胞庫(kù)的想法，干細(xì)胞可用于創(chuàng)造合成生物學(xué)所需的任何類型的細(xì)胞。

你會(huì)做晚餐嗎?

合成生物學(xué)仍然存在重大的技術(shù)和社會(huì)障礙，艾揚(yáng)格說(shuō)，今天最大的障礙與公眾認(rèn)知有關(guān)。畢竟，告訴別人他們的牛排晚餐是用癌細(xì)胞制作的，這并不是很開心。

還有成本問(wèn)題。3D打印已被建議作為生產(chǎn)肉類的可行方法，例如西班牙的Nova Meat公司，其創(chuàng)造具有真正肉的質(zhì)地和味道的肉類，但使用基于植物的手段。

“3D打印面臨的挑戰(zhàn)是成本，”艾揚(yáng)格說(shuō)。“大規(guī)模生產(chǎn)的食品價(jià)格昂貴，不會(huì)隨著3D打印而擴(kuò)展。”但他指出，成型是一種可擴(kuò)展的選擇。“[合成生物公司]實(shí)際上是從注塑塑料和類似的東西中借鑒了很多想法，”他說(shuō)。

但即使有這樣的規(guī)模，仍然需要降低整體制造成本。“制造第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室種植的漢堡需要花費(fèi)3000美元，這是七八年前的事。他說(shuō)，現(xiàn)在它仍然需要幾百美元。“價(jià)格隨著新工具而下降。”

在監(jiān)管方面，這甚至都不是因素。Iyengar指出，F(xiàn)DA，F(xiàn)TC，各種游說(shuō)團(tuán)體以及更多人將對(duì)該技術(shù)產(chǎn)生既得利益。實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)的牛排還是牛排嗎?那么它應(yīng)該像肉一樣受到監(jiān)管嗎?

好的一面是，已經(jīng)有合成生物學(xué)的例子從自組裝轉(zhuǎn)向大規(guī)模生產(chǎn)。啤酒可能是最古老的例子之一。“大多數(shù)啤酒都經(jīng)過(guò)基因改造，”艾揚(yáng)格說(shuō)。“釀造牛排晚餐的想法可能不是很有吸引力，但人類已經(jīng)這樣做了數(shù)百年。您可以像釀造啤酒一樣釀造晚餐。這是合成生物學(xué)將大規(guī)模改變可持續(xù)性的一種方式。“

Chris Wiltz是Design News的高級(jí)編輯，負(fù)責(zé)新興技術(shù)，包括AI，VR / AR，區(qū)塊鏈和機(jī)器人技術(shù)。