Teleportitud molekulid, kohandatud genoomid ja muud uuendused, mis täidavad tehnoloogia suurimaid lubadusi.

Sünteetiline bioloogia - asjade nullist bioloogiliste komponentide valmistamine - on õitsenud juba aastakümneid. Kuid nüüd on DNA järjestamise ja sünteesitehnoloogia täiustused sunnivad sünteetilisi biolooge esitama suuremaid, julgemaid ja usutavamaid ettepanekuid inimkonna mõne suurema probleemi lahendamiseks.

Farmaatsia-, energia- ja põllumajandusettevõtted on suures osas geenitehnoloogiat kasutanud keerukate ehitatavate molekulide valmistamiseks. Tänapäeval on sünteetilise bioloogia abil aga võimalik luua palju asju, mis muidu poleks võimalikud nii mitmekesistes rakendustes nagu taimeväetis, tekstiil ja digitaalne andmesalvestus.

"Arvan, et DNA saab 21. sajandi kõige olulisemaks materjaliks," ütleb Twist Bioscience'i tegevjuht Emily Leproust, kes valmistab kohandatud DNA ahelaid, mida saab kasutada erinevatel eesmärkidel, sealhulgas ülitihedas andmete salvestamiseks. "Eelmine sajand oli seotud arvutitega ja nüüd oleme sisenemas bioloogia ajastusse."

Google, Amazon, Procter & Gamble, Apple ja IKEA saatsid kõik esindajad hiljutisele SynBioBeta 7.0 konverentsile San Franciscos. "Kõik need ettevõtted, keda te ei võiks tõesti oodata sünteetilise bioloogia konverentsil, soovivad nüüd teha tehinguid või teha partnerlussuhteid, et sulanduda sellesse uude tööstusesse," ütleb SynBioBeta kaasasutaja John Cumber.

"Kui mõelda tagasi 1960ndatesse aastatesse, kui alles leiutasime transistori ja siis käisime Silicon Valley ajaloos läbi mikroprotsessori, Interneti, veebi - nüüd on sellel tehnoloogial üles ehitatud 25 protsenti maailma majandusest," rääkis Cumber ütleb. "Ajaskaalat on keeruline öelda, kuid ütleme, et järgmise 25 aasta jooksul on bioloogia kogum ja selle peale ehitatud väärtus kindlasti üle 25 protsendi kogu maailma majandusest."

Mis siis üldse rahmeldada on? Siin on kuus suundumust ja arengut, mida tasub järgnevatel aastatel jälgida:

Lämmastikväetistest tulenev vesi on peamine veereostuse allikas ja püsiv keskkonnaprobleem. Mis siis, kui meil poleks vaja nii palju väetist laotada?

Mõned taimed, näiteks herned ja sojaoad, teevad oma väetise - või veelgi enam - mikroobid, mis neil taimedel õitsevad, teevad seda nende jaoks, kinnitades mullas õhus oleva lämmastiku. Neil bakteritel ei ole teiste tavaliste põllukultuuride osas hästi, nii et sünteetilised bioloogid proovivad selliseid, mis seda teevad. Startup nimega Ginkgo Bioworks ja keemiahiiglane Bayer seavad 100 miljonit dollarit partnerlusse, et arendada sünteetilisi organisme, mis pakuvad taime juurtele lämmastikku, vähendades väetiste vajadust. Samal ajal üritab Pivot Bio suurendada mikroobide lämmastiku fikseerimise võimeid. "See, mida kõik põlluosad sooviksid mikroobidega näha, on selle väetise tootmiseks taastuv ja jätkusuutlik viis," ütleb Pivot Bio tegevjuht Karsten Temme. "See on tõesti olnud pikaajaline ja väljakutsuv eesmärk."

Gripiviirus võib levida kogu maailmas mõne päeva jooksul, kuid gripivaktsiinid jäävad tavaliselt paljudest uutest tüvedest kaugemale. Uue vaktsiini valmistamiseks peavad teadlased leidma tekkiva tüve, panema selle kokku ja saatma vaktsiinide väljatöötamisega tegelevale ettevõttele, kes süstib viiruseosakesed kana munadesse, et tekitada suures koguses antikehi, ja pakendab need seejärel vaktsiinidena. Kogu protsess võtab vähemalt kuu, sageli kauem. Aga mis siis, kui vaktsiiniarendajad saaksid vähendada viiruse DNA saatmisega sama palju reisiaega kui meilisõnumi saatmine?

Craig Venteri ettevõte Synthetic Genomics asus hiljuti müüki BioXP-st, masinast, mis suudab digiteeritud järjestuste andmed DNA- või RNA-ahelatena välja printida ja neid bakteriteks lisada. Geenide printimiseks BioXP-masinatega on endiselt vaja kohandatud koostisosade komplekte - enamikul biolaboritel poleks õigeid kemikaale õiges koguses, seega tellivad teadlased Synthetic Genomicsilt koostisosade komplektid. Kuid hilisemad bioloogilis-digitaalmuundurite kehastused võivad e-posti manusena saadetavatest digitaalsetest andmetest luua terveid viirusi. See sarnaneb molekulide teleportimisega.

Sünteetilise genoomika DNA tehnoloogia asepresident Dan Gibson näeb ette tulevikku, kus digitaal-bioloogilised muundurid muutuvad haiglates tavaliseks, võimaldades arstidel patsientidele kohandatud ravimeid välja printida. "Seal on lihtsalt lai valik rakendusi: ravimid, biokeemiatooted, biokütused," ütleb ta. "DNA on alles algus RNA-st kuni valguni tervete bakteri genoomide valmistamiseni."

SynBioBeta konverentsi korraldades märkasid Cumbers uustulnukate ettevõtetes ühist teemat: toitu. Täpsemalt valgurikaste loomsete saaduste sünteetilised versioonid.

Labori abil kasvatatud liha ja piimatoodete idee on olnud juba aastaid, kuid 2017. aastal oli rahastamise suurendamine sünbio toidutootmisettevõtetele, kes valmistavad põllumajandustooteid rakkudest ja mikroobidest. Need ettevõtted panustavad, et suudavad jätkusuutlikult ja kasumlikult täita kogu maailmas kiiresti kasvavat nõudlust liha, munade, kala ja juustu järele. Sellised ettevõtted nagu Memphis Meats ja Finless Foods töötavad laboris kasvatatud liha inimtoiduks välja, kuid teised ettevõtted töötavad selle nimel, et kalakasvandused oleksid säästvamad ja neis olevad kalad tervislikumad. Microsynbiotix on geneetiliselt muundatud vetikad söödavate vaktsiinide valmistamiseks tehistingimustes kasvatatud kalade kaitsmiseks.

Me kipume oma teksade sinist värvi iseenesestmõistetavaks pidama, kuid tööstuslikud värvained, mis imiteerivad massiliselt toodetud rõivaid oma värviga, pole nali. Värvainete sissehingamisel töötajatel on sageli kopsuprobleeme ja tekstiilitaimed on kogu maailmas üks juhtivaid veereostuse allikaid.

Disainer Natsai Chieza näeb aga potentsiaalset lahendust mikroobide poolt jäetud värvikates plekkides. Ta kasutab sallide värvimiseks värvilistes mustrites bakterikultuure. Oma praeguses Ginkgo Bioworksis disainerina töötades tegeleb ta teadlastega, et leida võimalusi protsessi laiendamiseks.

Tulevikus võidakse sünteetilisi organisme kootud ka meie riiete kangasse. BioLogic-nimeline ettevõtmine, mida juhib Lining Yao ja asub MIT Media Lab'is, kasutab niiskuse tekkimisel paisunud baktereid kanga valmistamiseks, mis reageerib higile, avades kangas tuulutusavad.

Sünteetilistel bioloogidel, kes tegelevad bakteritega, on piiratud tööriistakomplekt. Üldiselt töötavad nad bakteriga E. coli. Kui soovite valku transleeritud geeni, siis kloonige see ja pange see E. coli sisse traditsioonilise loogika järgi. E. coli on liigid, mille käitlemiseks on laboriseadmed ehitatud. Aga mis siis, kui geen, mille soovite lisada, ei hiilga E. coli geneetilise masinaga? Geen võib erinevas organismis paremini töötada.

Kui sünteetilised bioloogid saaksid ära kasutada rohkem liikide looduslikke andeid, võiksid nad kasvatada suurema koguse biofaktoreid kui E. coli ning tekkida võiks palju uusi sünteetilisi bioloogiatooteid, ütles MicroByre kaasasutaja Sarah Richardson. Teadlaste muude bakteriliikidega manipuleerimise hõlbustamiseks töötab MicroByre välja laboriseadmeid, mis suudavad võõrustada teisi mikroobisid. "See on absoluutselt ajaloo õnnetus, millele [E. coli] keskendusime," ütleb ta. "Tõmbasime selle sõna otseses mõttes oma tagumikust välja."

Bakterite geenide varjamine on üks asi. Mida saaksite teha bakterite või keerukamate organismide programmeerimisega täiesti nullist?

See suur küsimus on geenivaramu projekti kirjutamine (GP-kirjuta), mis on inimgenoomi projekti järelmeetmed. Selle juhid loodavad, et genoomide lahutamine ja uute kirjutamine süvendab nende arusaamist bioloogiast ja loob aluse tulevastele tehnoloogiatele. Võib-olla sünteesivad nad pärmi genoomi aasta lõpuks.

Praegu suudab terveid bakteri genoome kirjutada vaid käputäis eliidi sünbiolaboritest, kuid GP-write'i eesmärk on muuta geenikirjutamine odavamaks ja kättesaadavamaks. Nende väljakuulutatud eesmärk on vähendada genoomi kirjutamise kulusid vähem kui tuhande osani sellest, mis praegu maksab.

Sünteetilise bioloogia tipptasemel mittetulunduskeskus koordineerib tööd, mida juhib NYU esindaja Jef Boeke; Harvardi George'i kirik; Andredes Hessel Autodeskist; ja Nancy J Kelley, New Yorgi geenivaramu endine asutav tegevdirektor. Paar pilootprojekti on alustatud, sealhulgas katse luua inimese rakke (Petri tassidesse), millest saaks ise valmistada kõik olulised vitamiinid ja toitained. Mõned rühmas GP-write olevad rühmad on keskendunud tehnoloogiaküsimustele, näiteks kuidas kromosoomi pikkune DNA ahel kokku panna. Teised on keskendunud avalikkuse teavitamisele ja võimaluste otsimisele, kuidas kaasata rohkem inimesi genoomitehnikaga seotud bioeetilistesse vestlustesse.

Kelley sõnul on algatuse suurimad takistused avalikkuse arusaam geenitehnoloogiast. "Kui inimesed mõtlevad inimese genoomi konstrueerimisele või sünteesile, hüppavad nad kohe disainerite vapustavasse uude maailma," ütleb ta. "See pole see projekt, kuhu minnakse." Ta lisab, et töö inimrakkudes, kuid mitte tegelikes inimestes, "edendab eetilist ja sotsiaalset vestlust selle üle, kuidas me neid tehnoloogiaid tahame kasutada."