p A maioria das ciências ambientais está focada em como voltar no tempo, não empurre para frente, disse Ben Bostick, um geoquímico do Observatório Terrestre Lamont-Doherty. "Pensamos em como podemos reverter nossa pegada, e não tanto sobre como podemos aumentar nossa pegada de forma positiva, "ele disse." Mas existem muitos exemplos de biologia sintética que eu acho que realmente têm muito potencial no meio ambiente. Pense em como podemos ajudar nosso meio ambiente apenas fazendo coisas como melhorar os materiais que fabricamos usando a biologia sintética. " p A biologia sintética (synbio) é a construção de componentes biológicos, como enzimas e células, ou funções e organismos que não existem na natureza, ou seu redesenho para desempenhar novas funções. Biólogos sintéticos identificam sequências de genes que dão aos organismos certas características, criá-los quimicamente em um laboratório, em seguida, insira-os em outros microorganismos, como E. coli, para que produzam as proteínas desejadas, características ou funções.

p Desde 2011, quando escrevi uma introdução geral ao synbio, o campo cresceu rapidamente.

p Uma razão para isso é o desenvolvimento da ferramenta de edição de genes CRISPR-Cas9, usado pela primeira vez em 2013, que localiza, corta e substitui o DNA em locais específicos. Outro motivo é o quão fácil se tornou usar o Registro de Partes Biológicas Padrão, que cataloga mais de 20, 000 peças genéticas ou BioBricks que podem ser encomendados e usados ​​para criar novos organismos ou sistemas sintéticos.

p Em 2018, investidores despejaram US $ 3,8 bilhões e governos em todo o mundo investiram US $ 50 milhões em empresas synbio. Em 2022, o mercado global de aplicativos synbio está projetado em US $ 13,9 bilhões. Mas a biologia sintética ainda é controversa porque envolve alterar a natureza e seu potencial e riscos não são completamente compreendidos.

p Bostick, que trabalha para remediar a contaminação das águas subterrâneas por arsênio, estimulando as bactérias naturais a produzir substâncias às quais o arsênio adere, explicou isso, na verdade, toda a comunidade biológica que atua nos organismos altera os sistemas biológicos o tempo todo, mas não mude o material genético ou os organismos. Os cientistas deletam enzimas, insira novos, e mudar coisas diferentes para entender o mundo natural "Essas são técnicas padrão agora, mas são feitas mecanicamente, "disse ele." Se você quiser ver como uma proteína funciona, O que você faz? Você realmente o muda - é exatamente assim que estudamos nosso ambiente. São sintéticos e são alterações biológicas, mas não são feitos com o propósito que define a biologia sintética. ”O Synbio é mais polêmico porque seu propósito é construir sistemas biológicos artificiais que ainda não existem no mundo natural.

p No entanto, a biologia sintética está produzindo algumas soluções potenciais para nossos problemas ambientais mais intratáveis. Aqui estão alguns exemplos.

p Lidando com a poluição

p Micróbios têm sido usados ​​para sentir, identificar e quantificar poluentes ambientais por décadas. Agora, biossensores microbianos sintetizados são capazes de atingir toxinas específicas, como o arsênico, cádmio, mercúrio, azoto, amônio, nitrato, fósforo e metais pesados, e responder de várias maneiras. Eles podem ser projetados para gerar um eletroquímico, térmico, sinal acústico ou bioluminescente ao encontrar o poluente designado.

p Alguns micróbios podem descontaminar o solo ou a água naturalmente. Sintetizar certas proteínas e transferi-las para essas bactérias pode melhorar sua capacidade de se ligar ou degradar metais pesados ​​ou radionuclídeos. Uma bactéria do solo recebeu novos circuitos reguladores que a orientam a consumir produtos químicos industriais como alimento. Pesquisadores na Escócia estão desenvolvendo bactérias para converter metais pesados ​​em nanopartículas metálicas, que são usados ​​na medicina, indústria e combustíveis.

p CustoMem no Reino Unido usa biologia sintética para criar um material granular que atrai e adere a micropoluentes, como pesticidas, farmacêuticos, e certos produtos químicos em águas residuais. E pesquisadores australianos estão tentando criar uma estrutura multicelular que eles chamam de "água-viva sintética" que poderia ser liberada após um vazamento tóxico para quebrar os contaminantes.

p Preservando a biodiversidade

p Os castanheiros americanos dominaram a costa leste dos EUA até 1876, quando um fungo transportado em sementes de castanha importadas os devastou, deixando menos de um por cento em 1950. Para fazer árvores resistentes à praga, cientistas inseriram um gene de trigo em embriões de castanha, permitindo-lhes produzir uma enzima que desintoxica o fungo. Este castanheiro provavelmente se tornará o primeiro organismo geneticamente modificado a ser liberado na natureza assim que for aprovado pelo Departamento de Agricultura, a Food and Drug Administration (FDA) e a Environmental Protection Agency (EPA).

p Reviver e restaurar, uma organização que usa técnicas genéticas para preservar a biodiversidade, está tentando resgatar o furão de pés pretos em perigo, que é suscetível à peste silvestre. Porque o furão doméstico não é, os cientistas estão estudando a possibilidade de encontrar os genes que dão resistência ao furão doméstico e editá-los no genoma do furão-de-pé-preto. A pesquisa começará com culturas de células em laboratório.

p Os impulsos gênicos são mecanismos que espalham uma característica genética desejada através de uma população para controlar espécies invasoras. Um gene drive foi recentemente considerado para controlar o mexilhão dourado, que invadiu as águas da América do Sul e da América Latina. Depois de identificar os genes relacionados à reprodução e infertilidade em mexilhões dourados, cientistas propuseram o uso de CRISPR-Cas9 para editar o genoma do mexilhão para tornar as fêmeas inférteis. Os mexilhões geneticamente modificados seriam então cruzados com mexilhões selvagens no laboratório, criando embriões modificados que poderiam ser liberados na natureza para espalhar a infertilidade por toda a população. Uma unidade genética para eliminar os mosquitos transmissores da malária funcionou no laboratório, mas nenhuma unidade de gene projetada foi testada no campo ainda.

p Alguns cientistas também estão trabalhando na modificação dos genomas dos corais para dar-lhes mais resistência ao aquecimento da temperatura do oceano, poluição e acidificação dos oceanos. Outros propuseram modificar os genes das cianobactérias que afetam a umidade na crosta do solo de ecossistemas semidesérticos para que o solo retenha mais água e mais vegetação possa crescer.

p Alimentando o mundo

p Com a população mundial estimada em 10 bilhões até 2050, a demanda global por alimentos pode aumentar de 59 a 98 por cento. Impactos da mudança climática - temperaturas mais altas, Clima extremo, seca, níveis crescentes de dióxido de carbono e elevação do nível do mar - estão colocando em risco a quantidade e a qualidade de nossos suprimentos de alimentos.

p Melhorando a agricultura

p Pesquisadores da Universidade da Califórnia, San Diego descobriu que quando as plantas encontram condições secas, eles liberam um hormônio que fecha os poros da planta para reter água, retarda seu crescimento e mantém as sementes dormentes. Esse hormônio é caro para sintetizar, Contudo, então, os cientistas trabalharam com receptores desenvolvidos sinteticamente em tomateiros que responderam de forma semelhante à conservação de água a um fungicida comumente usado, tornando as plantas mais resistentes à seca.

p Os cientistas do Salk Institute identificaram os genes que estimulam o sistema radicular de uma planta a crescer mais profundamente no solo. Eles planejam criar caminhos genéticos para gerar raízes mais profundas, o que permitirá que as plantas resistam ao estresse, sequestrar mais carbono e enriquecer o solo.

p Os micróbios que vivem com as leguminosas lhes dão a capacidade de converter o nitrogênio da atmosfera em nutrientes de que a planta precisa para crescer. Contudo, porque outras plantas não podem assimilar nitrogênio naturalmente, os agricultores usam tradicionalmente fertilizantes químicos. A produção de fertilizantes, feito principalmente de combustíveis fósseis, resulta em emissões de gases de efeito estufa e eutrofização. Como uma alternativa, Pivot Bio, uma empresa da Califórnia, projetou os genes de um micróbio que vive nas raízes do milho, trigo e arroz para permitir que o micróbio retire o nitrogênio do ar e o dê à planta em troca de nutrientes. Em testes de campo, seu micróbio produtor de nitrogênio para o milho rendeu 7,7 alqueires por acre a mais do que os campos fertilizados quimicamente.

p Novos alimentos

p Agricultura, incluindo a criação de gado, é responsável por cerca de 8 por cento das emissões de gases de efeito estufa dos EUA. Micróbios geneticamente modificados estão sendo usados ​​para produzir alimentos mais sustentáveis, éticos e potencialmente mais saudáveis. A Motif Ingredients está desenvolvendo ingredientes proteicos alternativos sem a agricultura animal. Ele usa micróbios projetados para produzir proteínas alimentares que podem ser adaptadas para imitar sabores ou texturas semelhantes aos encontrados na carne bovina e laticínios.

p O hambúrguer vegetal da Impossible Foods contém heme sintetizado, a molécula que contém ferro, encontrada em animais e plantas, que dá à carne seu sabor sangrento. Para fazer isso, cientistas adicionaram um gene de planta à levedura, que, após a fermentação, produziu grandes quantidades da proteína heme. O Impossible Burger usa 75 por cento menos água e 95 por cento menos terra do que um hambúrguer de carne normal, e produz 87% menos emissões de gases de efeito estufa.

p À medida que a demanda por frutos do mar cresce globalmente (os estoques pesqueiros já estão 90% sobreexplorados), o mesmo acontece com a necessidade de farinha de peixe, as pelotas de proteína feitas de pequenos peixes moídos e grãos que alimentam os peixes de viveiro e também o gado. NovoNutrients, com sede na Califórnia, usa CO ₂ de emissões industriais para alimentar bactérias criadas em laboratório, que então produzem proteínas semelhantes aos aminoácidos que os peixes obtêm ao comer peixes menores; as bactérias substituem a farinha de peixe, fornecendo aos peixes proteínas e outros nutrientes.

p Criação de produtos mais verdes

p Combustíveis

p A queima de combustíveis fósseis para energia foi responsável por 94 por cento do CO antropogênico total dos EUA ₂ emissões em 2016, então, muitas pesquisas têm como objetivo criar biocombustíveis melhores que não competem com a produção de alimentos, nutrientes do solo ou espaço. A última geração de biocombustíveis concentra-se em microalgas modificadas, que têm alto teor de gordura e carboidratos, crescem rapidamente e são relativamente robustos. Altering their metabolic pathways enables them to photosynthesize more efficiently, produce more oil, absorb more carbon, and be hardier so that their numbers can be scaled up.

p LanzaTech in Illinois identified an organism that naturally makes ethanol from industrial waste gases. After the company engineered it with "pathways" from other organisms to improve its performance, the organism is able to produce unique molecules for valuable chemicals and fuels. LanzaTech's first commercial plant in China has produced over seven million gallons of ethanol from steel mill emissions that can be converted into jet fuel and other products.

p Materiais

p 165 million tons of plastic have trashed the oceans, with almost 9 million more tons being added each year. Synbio could provide a solution to this pollution problem, both by degrading plastic and replacing it.

p Em 2016, researchers in Japan identified two enzymes in a bacterium that enable it to feed on and degrade PET plastic, the kind used for water bottles and food containers. Desde então, researchers around the world have been analyzing how the enzymes break down the plastic and trying to improve their ability to do so.

p California-based Newlight Technologies is using a specially developed microorganism-based biocatalyst (similar to an enzyme) to turn waste gas captured from air into a bioplastic. The biocatalyst pulls carbon out of methane or carbon dioxide from farms, water treatment plants, landfills, or energy facilities, then combines it with hydrogen and oxygen to synthesize a biopolymer material. The biopolymer, called AirCarbon, can replace plastic in furniture and packaging.

p Lignin is a key component of plants that, like other types of biomass, could be used for renewable fuels and chemicals. Since very few bacteria and fungi can break it down naturally, scientists have been trying for years to develop an efficient way of doing so. Now some have engineered a naturally occurring enzyme to break it down, which could eventually make it possible to use lignin for nylon, bioplastics and even carbon fiber.

p The manufacturing of complex electronic devices requires toxic, rare, and non-renewable substances, and generates over 50 million tons of e-waste each year. Simon Vecchioni, who recently defended his Ph.D. in biomedical engineering at Columbia University, is using synthetic biology to produce DNA nanowires and networks as an alternative to silicon device technology.

p Vecchioni ordered synthesized DNA from a company, used it to create his own custom BioBrick—a circular piece of DNA—and inserted it into the bacterium E.coli, which created copies of the DNA. He then cut out a part of the DNA and inserted a silver ion into it, turning the DNA into a conductor of electricity. His next challenge is to turn the DNA nanowires into a network. The DNA nanowires may one day replace wires made of valuable metals such as gold, silver (which Vecchioni only uses at the atomic scale), platinum and iridium, and their ability to "self-assemble" could eliminate the use of the toxic processing chemicals used to etch silicon.

p "A technology for fabricating nanoscale electrical circuits could transform the electronics industry. Bacteria are microscale factories, and DNA is a biodegradable material, " he said. "If we are successful, we can hope to produce clean, cheap, renewable electronics for consumer use."

p Building materials

p The production of cement (a key ingredient of concrete) is responsible for about eight percent of global greenhouse gas emissions because of the energy needed to mine, transport and prepare the raw materials. bioMASON in North Carolina provides an alternative by placing sand in molds and injecting it with bacteria, which are then fed calcium ions in water. The ions create a calcium carbonate shell with the bacteria's cell walls, causing the particles to stick together. A brick grows in three to five days. bioMASON's bricks can be customized to glow in the dark, absorb pollution, or change color when wet.

p Dressing more sustainably

p Fast fashion has a disastrous impact on the environment because of its dyes and fabric finishes, fossil fuel use and microfiber pollution. About three-fourths of the water used for dyeing ends up as toxic wastewater, and over 60 percent of textiles are made from polyester and other fossil fuel-based fibers that shed microfibers when washed, polluting our waters.

p French company Pili synthesizes enzymes that can be tailored to produce different colors, then integrates them into bacteria. The bacteria are then able to create pigments. Pili's dye is produced without petroleum products or chemicals, and uses one-fifth the water of regular dyes.

p Spider silk, considered one of nature's strongest materials, is elastic, durable and soft. Bolt Threads, based in San Francisco, studied spider DNA to figure out what gives spider silk its special characteristics, then engineered genes accordingly and put them into yeast, which, after fermentation, produce large quantities of liquid silk proteins. The silk protein is then spun into fibers, which can be made into renewable Microsilk.

p The risks of synbio

p In the U.S., synbio chemicals and pharmaceuticals are mainly regulated by the Toxic Substances Control Act of 1976. Other synbio commercial products and applications are regulated by the EPA, Department of Agriculture, and the FDA. But do these agencies have the capacity and effectiveness to monitor synthetic biology as fast as it's developing and changing?

p As some syn bio applications are starting to move out of the lab, there are worries about its potential environmental risks. If an engineered organism, such as those used in gene drives, is released into nature, could it prove more successful than existing species in an ecosystem and spread unchecked?

p Bostick noted that each synthetic biology project today is usually focused on one very specific modification. "It's adding or altering a single enzyme, possibly putting in a series of enzymes so that it can do one thing, " he said. "Very seldom do you tweak the rest of the organism, so it's not critical to the success of the organism and it's not likely to run rampant. From a scientific standpoint, it's hard to change more than one thing."

p Além disso, according to Vecchioni, most synbio research is being done by student groups through iGEM's International Genetically Engineered Machine Competition, and every iGEM project must have a safety component—some way to turn off the gene or regulate it if it gets out.

p Another concern is that the creation or modification of organisms could be used to create a disease for the purpose of bioterrorism. Vecchioni explained that the FBI is on the lookout for this. "They walk in nicely and say 'hi, we're watching, '" he said. "They also go to conferences and just make sure people are being smart about it." He added that DNA synthesis companies are also on alert. "They have a library of known dangerous pieces of DNA, so if you try to order something that is known to create disease in any organism, the FBI will come knocking on your door."

p A more recent concern is that research institutes have begun setting up biofoundries, facilities that rely heavily on automation and artificial intelligence (AI) to enhance and accelerate their biotechnology capabilities. Jim Thomas, co-executive director of the ETC Group, which monitors emerging technologies, is concerned about the tens of thousands of organisms that AI is being used to create. "It raises a real safety question because if you have something go wrong, you potentially don't understand why it went wrong, " said Thomas. "With AI it's a bit of a black box." He noted that most experts agree that there has to be a process for monitoring and assessing new developments in synbio.

p Despite the potential risks of synbio, its potential benefits for the planet are huge. And as our environment is battered by the impacts of climate change and human activity, we need to explore all options. "We need every possible solution to even remotely get to the magnitude of change that we need to improve our world, " said Bostick. p Esta história é republicada por cortesia do Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.