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，他們通常會想到構(gòu)成我們設(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在我們的設(shè)備中使用越來越多的生物材料......我們可能會以類似于我們在工廠中組裝電子和機械組件的方式制作這些材料。想象一下，通過組合標(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)計與制造展上向觀眾講述。“據(jù)估計，到2050年，地球上將有100億人口。這在運輸，食品，可持續(xù)性，住房和建筑材料方面都存在問題......我們無法繼續(xù)按照我們的方式生產(chǎn)人類食品。 ”

贊助商內(nèi)容由Design News提供給您

通過3D打印從原型設(shè)計到驗證降低成本

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

但是合成生物學(xué)提供了一種旨在利用生物學(xué)來制造產(chǎn)品的解決方案，Iyengar說。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)的機器來創(chuàng)建生物材料。

艾揚格首先承認(rèn)這個概念聽起來像科幻小說。但實際上，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)，”艾揚格說。“[合成生物學(xué)]將動物視為制造商。如果你解構(gòu)它，雞蛋就是一堆蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)很難在實驗室中制作，但猜測什么是非常擅長制造蛋白質(zhì)......細(xì)胞。“

通過從綠豆中剔除蛋白質(zhì)，該公司能夠使用這些蛋白質(zhì)來制造具有蛋黃質(zhì)地，稠度和味道的物質(zhì)。Just說，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)胞的正確組合來生產(chǎn)。

他補充說，廣泛使用和生產(chǎn)無牛奶也會產(chǎn)生積極的環(huán)境影響。“奶牛放出甲烷。甲烷對環(huán)境的破壞性比汽車產(chǎn)生的二氧化碳高約20倍。從這個意義上講，奶牛比汽車更危險。“

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)不需要動物的細(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。除了制造價格為314美元(Bolt Threads銷售)之外，蜘蛛絲因其抗拉強度和其他性能而受到許多研究人員的歡迎，這可能會導(dǎo)致下一代復(fù)合材料的發(fā)展。

癌癥問題

合成生物學(xué)可以利用植物或動物細(xì)胞。將每個單元視為工廠，只有一個制造生物產(chǎn)品而不是電氣和機械組件和零件。通過插入新的原材料(在這種情況下是DNA，而不是原始礦物質(zhì))修改實驗室中的細(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)，或者動物細(xì)胞可以生產(chǎn)肉類而不需要飼養(yǎng)和屠宰動物。

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

“理想情況下，你想要的是一遍又一遍的相同細(xì)胞，”艾揚格補充道。這是因為不同的單元就像它們自己的獨立工廠，每個工廠都需要獨特的協(xié)議。一旦你區(qū)分細(xì)胞，它就需要自己的過程，這會破壞合成生物學(xué)提供的所有效率。

然而，有一種類型的動物細(xì)胞不會死亡 - 癌細(xì)胞。癌細(xì)胞將無限生長，為合成生物學(xué)提供無數(shù)的工廠和材料。“但為了使這項工作，你正在使用癌癥的捐贈細(xì)胞...這不是很吸引人，”艾揚格說。

他說，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，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。

你會做晚餐嗎?

合成生物學(xué)仍然存在重大的技術(shù)和社會障礙，艾揚格說，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，”艾揚格說。“大規(guī)模生產(chǎn)的食品價格昂貴，不會隨著3D打印而擴展。”但他指出，成型是一種可擴展的選擇。“[合成生物公司]實際上是從注塑塑料和類似的東西中借鑒了很多想法，”他說。

但即使有這樣的規(guī)模，仍然需要降低整體制造成本。“制造第一個實驗室種植的漢堡需要花費3000美元，這是七八年前的事。他說，現(xiàn)在它仍然需要幾百美元。“價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，各種游說團體以及更多人將對該技術(shù)產(chǎn)生既得利益。實驗室生長的牛排還是牛排嗎?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)過基因改造，”艾揚格說。“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的高級編輯，負(fù)責(zé)新興技術(shù)，包括AI，VR / AR，區(qū)塊鏈和機器人技術(shù)。