Sintetička biologija za čišći okoliš

Bilo bi jako dobro kad bismo mogli naći znanstveno rješenje za onečišćenje okoliša. Sintetička biologija tretira mikroplastiku i industrijski otpad, ali i tlo prožeto teškim metalima ili ostacima eksploziva koristeći biotehnologiju.

Znanstvenici to čine uglavnom uz pomoć mikroorganizama s DNK prilagođenom za određenu funkciju. Ovi umjetno stvoreni mikrobi osim što nude nadu za čišćenje okoliša, mogu se koristiti u kružnim industrijama, ali i za prenamjenu onečišćujućih tvari ili odvajanje korisnih resursa iz takvog otpada.

Iako sintetička biologija nudi potencijalno rješenje za rješavanje problema nekih od mnogih zagađivača, istraživači kažu da zabrinutost oko ispuštanja genetski modificiranih organizama u okoliš te nedostatak državnog financiranja i poticaja sprječavaju postizanje punog potencijala ovog područja. Međutim, ako se ove navedene prepreke prevladaju, modificirani mikrobi mogli bi biti ključni partneri čovječanstvu u čišćenju nereda koji je napravljen.

Ako se prepreke oko financiranja prevladaju, modificirani mikrobi mogli bi biti ključni partneri čovječanstvu u čišćenju nereda koji je napravljen / Snimio Luka Stanzl / PIXSELL

Krajem 1980-ih vladao je veliki interes za korištenje umjetno stvorenih bakterija kod čišćenja okoliša, međutim tehnološke prepreke i društveni otpor korištenju genetski modificiranih organizama uzrokovali su zastoj u istraživanjima i primjeni.

Početkom 2000-tih, napredak u genetici i rastuća svijest o utjecajima klimatskih promjena i onečišćenja potaknuli su ponovni interes za korištenje mikroba za bioremedijaciju (čišćenje onečišćenog okoliša) i bioproizvodnju (izradu korisnih proizvoda od potencijalno onečišćujućih tvari). Novi alati sintetičke biologije omogućili su odmak od standardnih organizama kao što su Escherichia coli i Saccharomyces cerevisiae (nalazi se u pekarskom kvascu) na organizme koji su bolje prilagođeni specifičnim okruženjima i metaboličkim zadacima.

Sintetički biolozi obično u prirodi traže mikrobe koji su već sposobni razgraditi ili iskoristiti određene onečišćujuće tvari ili složene otpadne proizvode bogate ugljikom. Proučavanjem ovih prirodnih organizama pokušava se razumjeti biokemija koja je temelj njihova metabolizma otpada. Potom se to znanje koristi za stvaranje organizama koji posao obavljaju još bolje. Željeli bismo da se stvari događaju brže, učinkovitije i u većim razmjerima nego što to čine bakterije samo radi vlastitoga preživljavanja. Istraživači mogu pratiti put posebno označenih molekula kada ih mikrobi konzumiraju i probavljaju koristeći alate poput masene spektrometrije visoke rezolucije. Proučavaju se enzimski procesi tih molekularnih obroka i traže mjesta gdje se javljaju uska grla. To znanstvenicima daje indicije o tome kako se prirodni procesi mogu poboljšati u laboratoriju ili prenamijeniti za nove funkcionalnosti.

Geni iz jedne vrste bakterija mogu se umetnuti u drugu kako bi vrsti dali željeni skup osobina, a moguće je sintetizirati gene ili čak cijele bakterijske genome koji su bitni za određenu primjenu. Tehnologije su još uvijek daleko od toga da bi mogle proizvesti savršeno optimizirane mikrobe, ali umjetna inteligencija ubrzava napredak prema tom cilju.

Jedna grupa znanstvenika razvija mikrobe koji jedu ugljik i pretvaraju ugljikov monoksid i ugljikov dioksid iz čeličana, rafinerija nafte i poljoprivrednog otpada u etanol, koji se zatim pretvara u zrakoplovno gorivo i druge korisne materijale. Ta se tehnologija sada koristi u šest komercijalnih postrojenja diljem svijeta, proizvodeći oko 300.000 tona etanola svake godine i izbjegavajući otprilike pola milijuna tona emisija CO₂.

Druge skupine usredotočene su na čišćenje onečišćujućih tvari koje su već dospjele u okoliš. Jedna od njih konstruira bakterije koje razgrađuju nitroaromatske spojeve što su uobičajene komponente eksploziva. Ti su spojevi jako toksični, a ako se ostave u okolišu, razgrađuju se sporo i nepotpuno.

U studiji objavljenoj u travnju ove godine opisana je razgradnja 2,4-dinitrotoluena (DNT), nusprodukta trinitrotoluena (TNT) koji se često nalazi u tlu oko bivših tvornica streljiva i na mjestima gdje je TNT detoniran. Znanstvenici su uzeli gene iz vrste bakterija koje prirodno razgrađuju DNT i prenijeli ih u drugu vrstu često korištenu u biotehnologiji. Iako je izvorni organizam mogao koristiti DNT do određene mjere, nije u potpunosti eliminirao spoj i bio je pod velikim stresom dok ga je pokušavao probaviti. Istraživači su dopustili da se inženjerski stvoren organizam razvija gotovo godinu dana u uvjetima u kojima je DNT bio jedini izvor hrane. U usporedbi s izvornim sojem taj novi organizam razgradio je DNT brže i bez stresa. Mikrobi poput ovoga mogli bi osigurati da golemi dijelovi zemlje u Ukrajini i na Bliskom istoku ne budu uništeni kontaminacijom.

Biokonverzija plastike započela je 2016. godine kada je u Japanu otkriveno da je prirodna bakterija, otkrivena na plastičnom otpadu, razvila enzime koji joj omogućuju razgradnju polietilen tereftalata (PET) 2. To bi se moglo koristiti kao početna točka za inženjering mikroba za učinkovitije recikliranje ili čišćenje plastičnog otpada.

Pronalaženje financiranja potrebnog za usavršavanje i implementaciju ovakvih tehnologija ozbiljna je prepreka. Za razliku od biotehnologija naprednih lijekova, privatni donatori ne žele financirati čišćenje onečišćenja. Postoji ogromna društvena korist, ali tržišna privlačnost je mala. Iako prerađeni materijali imaju potencijal za profit, u većini slučajeva bioremedijacija još uvijek nije isplativa. Međutim, uz državne poticaje i obavezno miješanje goriva s produktima razgradnje otpada to bi uskoro moglo postati isplativo.