למד על ביולוגיה סינתטית, מדע המסוגל לסנתז אורגניזמים כדי לייצר את מה שאנחנו רוצים וכיצד הוא יכול להתייחס לסביבה

ביל אוקספורד בתמונת Unsplash

עכבישים וחרקים המייצרים את הבגדים שאתה לובש? זה נשמע מוזר, אבל יש כבר חברות שעושות את זה. חוקרים בחנו את ה- DNA של העכבישים וניתחו כיצד הם מייצרים סיבי משי. לפיכך, הם הצליחו לשחזר במעבדה סיבים העשויים מים, סוכר, מלח ושמרים, אשר תחת המיקרוסקופ הם בעלי מאפיינים כימיים זהים לזו הטבעית. יש גם כבר "חלב פרה" שלא הגיע מהפרה ואפילו נימה חזקה יותר מהפלדה המיוצרת מחומר צמיג של דג. כל אלה הם דוגמאות ליישום הביולוגיה הסינתטית.

ביולוגיה סינתטית

בסוף המאה ה -20 החלה מהפכה ביוטכנולוגית, בה צצו היבטים חדשים של הביולוגיה. ביולוגיה סינטטית היא אזור שזכה לבולטות מאז הופעתו הרשמית בשנת 2003, ויש לו את האפשרויות העיקריות ליישום בתעשייה, בסביבה ובבריאות האדם.

ההגדרה של ביולוגיה סינתטית ניתנת על ידי שילובם של תחומי מחקר שונים (כימיה, ביולוגיה, הנדסה, פיסיקה או מדעי המחשב) עם בנייתם של רכיבים ביולוגיים חדשים, הכוללים גם תכנון מחדש של מערכות ביולוגיות טבעיות שכבר קיימות. השימוש בטכנולוגיית DNA רקומביננטי (רצף DNA ממקורות שונים) אינו מהווה אתגר לביולוגיה הסינתטית, מכיוון שזה כבר קורה; ההימור הוא לתכנן אורגניזמים העונים על צרכיה הנוכחיים של האנושות.

בן ברית של ביולוגיה סינתטית הוא ביו-מימיקה, המחפשת פתרונות לצרכינו בהשראת הטבע. עם הביולוגיה הסינתטית ניתן יהיה לשחזר מערכות שלמות, ולא רק חלק.

משנת 2010 הביולוגיה הסינתטית זכתה לשמצה. באותה שנה הצליח המדען האמריקאי ג'ון קרייג וונטר להשיג משהו גאוני: הוא יצר את האורגניזם הראשון עם חיים מלאכותיים במעבדה בהיסטוריה. הוא לא יצר צורת חיים חדשה בעצמה, אלא "הטביע" את ה- DNA שנוצר מנתונים דיגיטליים, והכניס אותו לחיידק חי, והפך אותו לגרסה הסינתטית של חיידק Mycoplasma mycoides . וונטר טוען שזה היה "האורגניזם החי הראשון שאביו הוא מחשב".

כיום יש בסיס נתונים זמין באינטרנט, עם אלפי "מתכונים" של DNA להדפסה, הנקראים biobricks . חיידקים עם גנום סינתטי פועלים בדיוק באותה צורה כמו הגרסה הטבעית שלהם, וכך אנו מסוגלים לתכנת מחדש חיידקים ולגרום להם לפעול בצורה בה אנו רוצים לייצר חומרים מסוימים, כמו משי וחלב.

החברה האחראית על ייצור סיבי משי מתצפית על עכבישים שהוזכרה בתחילת טקסט זה היא Threads. "חלב הפרה" המלאכותי הוא Muufri, שנוצר על ידי שני מהנדסי ביו טבעוניים. הוא מיוצר על פי אותם עקרונות כמו בירה ומהווה תערובת של מרכיבים (אנזימים, חלבונים, שומנים, פחמימות, ויטמינים, מינרלים ומים). ל"חלב סינטטי "זהה לטעם ולמאפיינים תזונתיים כמו למקור. הנימה העמידה ביותר הינה עבודתה של מעבדת מעבדות בנטיק, המייצרת חומרים שונים, כגון חבלים, אריזה, ביגוד ומוצרי בריאות, באמצעות נימה זו של האגפיש.(מינים של דגים המכונים גם myxini). קוד ה- DNA של הדג מוחדר למושבת החיידקים, שמתחילה לסנתז את הלהט. הוא דק פי עשרה משיער, חזק יותר מניילון, פלדה ובעל תכונות סופגות ומיקרוביאליות.

אם אנו מצליחים לשחזר משאבים "טבעיים" כאלה, ככל שמתקדמים במחקרים, הביולוגיה הסינתטית עשויה להחליף את השימוש בחומרי גלם מסוימים. לפיכך, ניתן להכניס טכנולוגיה זו כגורם בעל חשיבות רבה למושג כלכלה מעגלית, כפי שקורה בטכנולוגיות הקולטות נזילות שמן או חיידקים שאוכלים פלסטיק.

שילוב ביולוגיה סינתטית בכלכלה המעגלית

תמונה של רודיון קוצייב באונסקלאש

הכלכלה המעגלית היא מודל מבני המייצג מחזור סגור, בו אין הפסד או בזבוז. שלושת עקרונות הכלכלה המעגלית, על פי קרן אלן מקארתור, הם:

לשמר ולהגדיל את ההון הטבעי, לשלוט במניות סופיות ולאזן את שטף המשאבים המתחדשים;
ייעל את ייצור המשאבים, המפיצים מוצרים, רכיבים וחומרים ברמת השירות הגבוהה ביותר בכל עת, הן במעגל הטכני והן בביולוגי;
לטפח את יעילות המערכת, לחשוף חיצוניות שלילית ולא לכלול אותם בפרויקטים.

אנו חיים כיום במערכת יצרנית ליניארית. אנו מחלצים, מייצרים, צורכים ומשליכים. אך משאבי הטבע הם סופיים ועלינו לשמור עליהם - זהו העיקרון הראשון של הכלכלה המעגלית.

עם הביולוגיה הסינתטית, בעתיד, נוכל להחליף מיצוי של משאבי טבע מסוימים. בנוסף לשמירה על איכות הסביבה, נחסוך כמות אדירה של אנרגיה ונגיש למודל מעריסה לעריסה (עריסה לעריסה - מערכת שאין בה מושג של בזבוז).

החלפת חומרים

היכולת לשלוט בחיידקים ולגרום להם לעבוד עבורנו יכולה ליצור חלופות שונות לתשומות או לתהליכים. לדוגמא: יצירה של חומרים מתכלים חדשים הניתנים לשילוב בחזרה במעגל, ומשמשים כעת כמרכיבים תזונתיים עבור יצורים אחרים, כמו דשן למטעים.

ישנם כבר כמה סוגים של פולימרים שנוצרו על ידי ביולוגיה סינתטית, כגון פלסטיק המיוצר מתסיסת סוכר ומושפל באופן טבעי עם המיקרואורגניזמים הקיימים באדמה. חומרים אחרים יכולים לשמש גם לייצור ביו פלסטיק, כגון תירס, תפוחי אדמה, קנה סוכר, עץ, בין היתר. ישנן גם אריזות העשויות מתפטיר (תמונה למטה) של פטריות שניתן לעצב ולהחליף את קלקר.

תמונה: אריזות מתכלות מתוצרת Ecovative Design, המשתמשות בחומר ביולוגי של תפטיר מפסולת חקלאית על ידי mycobond מורשה תחת (CC BY-SA 2.0)

יישומים אחרים המוערכים על ידי העולם עדיין נמצאים בפיתוח ... גומי סינטטי כיום נגזר לחלוטין ממקורות פטרוכימיים, כך שמחקר מנסה ליצור צמיגים עשויים BioIsoprene . אנזימי הצמח מוחדרים למיקרואורגניזם על ידי העברת גנים ובכך מייצרים את האיזופרן. בברזיל נחקרת שיטה להפיכת מתאן לפלסטיק מתכלה באמצעות מיקרואורגניזמים בתנאים מבוקרים. מוצרים כימיים, אקריליק, פיתוח חיסונים, טיפול בפסולת חקלאית, אנטיביוטיקה, בין היתר, הם דוגמאות למוצרי ביולוגיה סינתטיים הניתנים להחדרה חזרה לזרימה, ויוצרים מערכת מחזורית.

כדי לכלול את העיקרון השני של כלכלה מעגלית, ביולוגיה סינתטית יכולה ליצור חומרים עמידים יותר ונמשכים זמן רב, מבלי להזדקק לתיקונים מתמידים, להחליף חלקים, או אפילו לקנות מוצרים חדשים לעיתים קרובות מאוד. מיוצרים חומרים שניתן לעשות בהם שימוש חוזר בקלות בתהליכים אחרים, ליצירת מוצרים חדשים, או שקל יותר למחזר אותם. אם לכל החומר ההיפותטי הזה היו תנאים אלה, הם לא היו הופכים לבזבוזים, עם הפחתה בזיהום ובסילוק במזבלות, כלומר הם ימשיכו להיות מופצים לשימוש.

הצד השני של הסיפור

טכנולוגיה זו עדיין עדכנית מאוד ועם גילוי יותר ויותר שימושים וחומרים שניתן להחליפם בסינתטיים, הפקת המשאבים מהסביבה פוחתת ומאפשרת לה להתאושש באופן טבעי. בהחזרת יכולת החוסן של הסביבה, האיזון משוחזר ונוכל לחיות על כוכב לכת בר קיימא יותר.

אבל כמו כל מה שטוב, יש כמה מצוקות. ענף מדעי זה, הנחשב גם להנדסה גנטית קיצונית, זקוק לייעוץ רשמי. על המוצרים להיות בעלי תקנות והמלצות מפורטות על מנת להימנע מכל סיכוי לטעויות, כך שהסיכונים והיתרונות יתגלו לפני שמתרחש המסחור. מכיוון שהניסויים הראשוניים בביולוגיה סינתטית היו מבטיחים מאוד מבחינה כלכלית, עדיין אין מגבלות רבות, שיכולות להוות בעיה.

אחת ההשפעות השליליות שיכולות להתרחש היא אובדן המגוון הביולוגי עם יצירת מיקרואורגניזמים מלאכותיים שיכולים לפעול באופן בלתי צפוי בסביבה. לדוגמא: אם מיקרואורגניזם סינתטי משתחרר בכוונה או לא, לפעמים חסר תקדים באופיו, הוא יכול להתנהג כפולש ומתפשט, תוך הסרת מערכות אקולוגיות שלמות, ואי אפשר "לצוד" ולהוציא את כל החיידקים מהסביבה.

בנושא החברתי, מדינות עניות יכולות לסבול הרבה יותר ממדינות מפותחות. שימוש במיקרואורגניזמים לייצור המוני של מוצר מסוים יכול להחליף מטעים טבעיים שלמים, ולהשאיר מיליוני משפחות מובטלות. עם זאת, יהיה צורך במונוקולטוריות להאכיל את החיידקים, מכיוון שמקור האנרגיה שלהם הוא ביומסה.

בקנה מידה גדול, מוצרים מסוימים ידרשו חומר אורגני רב, כמו סוכר. יתכן שמשפחות מובטלות יתחילו לשתול רק קני סוכר (דלק ביולוגי כבר הביא לשינויים משמעותיים בשימוש בקרקע), מה שעלול להשפיע על הגישה לאדמה, מים ושימוש מוגבר בחומרי הדברה, בין היתר.

כל הנושאים הללו קשורים ישירות לביואתיקה. כוחה של הביולוגיה הסינתטית הוא עצום. תכנון אורגניזמים כמו שאנחנו רוצים הופך אותם לבלתי צפויים, ולכן על המדענים והחברה להשתמש בכוח זה באופן אחראי ובטוח, הנתמך על ידי ממשלות. זה תמיד נושא מסובך.

כל הגורמים החיוביים או השליליים הללו יכולים לעזור או להפריע לכלכלה המעגלית ולכוכב הלכת שלנו. אבל עדיין יש הרבה מה להתווכח ולהעלות ידע רב בנושא. אין להכחיש שביולוגיה סינתטית היא מגמה לעתיד, אך הדבר החשוב ביותר הוא להגדיר כיצד תיושם הטכנולוגיה המתקדמת הזו.

צפה בסרטון קריטי על ההשלכות של הביולוגיה הסינתטית.