البيولوجيا التركيبية: ماهيتها وعلاقتها بالاقتصاد الدائري
تعرف على المزيد حول البيولوجيا التركيبية ، والعلم القادر على تصنيع الكائنات الحية لإنتاج ما نريد ، وكيف يمكن أن يرتبط بالبيئة
صورة بيل أكسفورد في Unsplash
العناكب والحشرات تنتج الملابس التي ترتديها؟ يبدو غريباً ، لكن هناك بالفعل شركات تفعل ذلك. درس الباحثون الحمض النووي للعناكب وحللوا كيفية إنتاج ألياف الحرير. وهكذا ، تمكنوا من إعادة إنتاج الألياف المصنوعة من الماء والسكر والملح والخميرة في المختبر والتي لها نفس الخصائص الكيميائية الطبيعية تحت المجهر. كما يوجد بالفعل "حليب بقري" لم يأت من البقرة وحتى خيوط أقوى من الفولاذ المنتج من المادة اللزجة للأسماك. هذه كلها أمثلة لتطبيق البيولوجيا التركيبية.
علم الأحياء الاصطناعية
في نهاية القرن العشرين ، اندلعت ثورة في مجال التكنولوجيا الحيوية ، ظهرت فيها خيوط جديدة من علم الأحياء. علم الأحياء التركيبي هو مجال اكتسب شهرة منذ ظهوره رسميًا في عام 2003 ، وله إمكانيات تطبيقه الرئيسية في الصناعة والبيئة وصحة الإنسان.
يتم تقديم تعريف البيولوجيا التركيبية من خلال دمج مجالات البحث المختلفة (الكيمياء أو الأحياء أو الهندسة أو الفيزياء أو علوم الكمبيوتر) مع بناء مكونات بيولوجية جديدة ، بما في ذلك أيضًا إعادة تصميم النظم البيولوجية الطبيعية الموجودة بالفعل. لا يمثل استخدام تقنية الحمض النووي المؤتلف (تسلسل الحمض النووي من مصادر مختلفة) تحديًا للبيولوجيا التركيبية ، كما يحدث بالفعل ؛ الرهان هو تصميم كائنات حية تلبي الاحتياجات الحالية للبشرية.
حليف البيولوجيا التركيبية هو التقليد الحيوي ، الذي يبحث عن حلول لاحتياجاتنا مستوحاة من الطبيعة. باستخدام البيولوجيا التركيبية ، سيكون من الممكن إعادة إنشاء أنظمة كاملة ، وليس مجرد جزء منها.
منذ عام 2010 ، اكتسبت البيولوجيا التركيبية سمعة سيئة. في ذلك العام ، تمكن العالم الأمريكي جون كريج فنتر من إنجاز شيء بارع: لقد ابتكر أول كائن حي صناعيًا في المختبر في التاريخ. لم يخلق شكلاً جديدًا للحياة في حد ذاته ، ولكنه "طبع" الحمض النووي الذي تم إنشاؤه من البيانات الرقمية ، وأدخله في بكتيريا حية ، وحوله إلى نسخة اصطناعية من البكتيريا. mycoplasma mycoides. يدعي فينتر أن هذا كان "أول كائن حي يكون والدوه حاسوبًا".
توجد اليوم قاعدة بيانات متاحة على الإنترنت ، مع آلاف "وصفات" الحمض النووي التي سيتم طباعتها الطوب الحيوي. تعمل البكتيريا ذات الجينوم الاصطناعي تمامًا مثل نسختها الطبيعية ، وبهذه الطريقة يمكننا إعادة برمجة البكتيريا وجعلها تتصرف بالطريقة التي نريدها لإنتاج مواد معينة ، مثل الحرير والحليب.
الشركة المسؤولة عن إنتاج ألياف الحرير من مراقبة العناكب المذكورة في بداية هذا النص هي Bolt Thread. "حليب البقر" الصناعي هو الموفري ، الذي ابتكره اثنان من المهندسين البيولوجيين النباتيين. يتم إنتاجه على نفس مبادئ البيرة وهو خليط من المكونات (الإنزيمات والبروتينات والدهون والكربوهيدرات والفيتامينات والمعادن والماء). هذا "الحليب الاصطناعي" له نفس المذاق والخصائص الغذائية كالأصلي. الفتيل شديد المقاومة هو عمل مختبر Benthic Labs ، الذي يقوم بتصنيع مواد مختلفة ، مثل الحبال والتعبئة والتغليف والملابس والمنتجات الصحية ، من خلال هذا الفتيل من سمك الهاg (نوع من الأسماك يُعرف أيضًا باسم ميكسيني). يتم إدخال رمز الحمض النووي للسمكة في المستعمرة البكتيرية ، والتي تبدأ في تصنيع الخيوط. إنه أرق بعشر مرات من خصلة الشعر ، وأقوى من النايلون والصلب ، وله خصائص ماصة ومضادة للميكروبات.
إذا تمكنا من إعادة إنشاء مثل هذه الموارد "الطبيعية" مع تقدم الدراسات ، يمكن للبيولوجيا التركيبية أن تحل محل استخدام بعض المواد الخام. وبالتالي ، يمكن إدخال هذه التقنية كعامل بالغ الأهمية لمفهوم الاقتصاد الدائري ، كما هو الحال مع التقنيات التي تمتص انسكابات الزيت أو البكتيريا التي تتغذى على البلاستيك.
دمج البيولوجيا التركيبية في الاقتصاد الدائري
صورة Rodion Kutsaev في Unsplash
الاقتصاد الدائري هو نموذج هيكلي يمثل دورة مغلقة لا يوجد فيها خسارة أو هدر. المبادئ الثلاثة للاقتصاد الدائري ، وفقًا لمؤسسة إلين ماكارثر ، هي:
- الحفاظ على رأس المال الطبيعي وزيادته ، والتحكم في المخزونات المحدودة وموازنة تدفقات الموارد المتجددة ؛
- تحسين إنتاج الموارد والمنتجات المتداولة والمكونات والمواد ذات أعلى مستوى من المنفعة في جميع الأوقات ، في كل من الدورات التقنية والبيولوجية ؛
- تشجيع كفاءة النظام وكشف العوامل الخارجية السلبية واستبعادها في المشاريع.
نحن نعيش حاليًا في نظام إنتاج خطي. نحن نستخرج وننتج ونستهلك ونتخلص من. لكن الموارد الطبيعية محدودة ويجب علينا الحفاظ عليها - هذا هو المبدأ الأول للاقتصاد الدائري.
مع البيولوجيا التركيبية ، في المستقبل ، قد تكون لدينا القدرة على استبدال استخراج بعض الموارد الطبيعية. بالإضافة إلى الحفاظ على البيئة ، سنوفر قدرًا هائلاً من الطاقة ونقترب أكثر من نموذج المهد إلى المهد (من المهد إلى المهد - نظام لا توجد فيه فكرة الهدر).
استبدال المواد
إن القدرة على التحكم في البكتيريا وجعلها تعمل لصالحنا يمكن أن تخلق مدخلات أو عمليات بديلة مختلفة. على سبيل المثال: إنشاء مواد جديدة قابلة للتحلل الحيوي يمكن دمجها مرة أخرى في الدورة ، وتعمل الآن كمغذيات للكائنات الأخرى ، كسماد للمحاصيل.
توجد بالفعل بعض أنواع البوليمرات التي تم إنشاؤها بواسطة البيولوجيا التركيبية ، مثل البلاستيك المصنوع من تخمير السكر والمتحلل بشكل طبيعي بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في التربة. يمكن أيضًا استخدام مواد أخرى لإنتاج البلاستيك الحيوي ، مثل الذرة والبطاطس وقصب السكر والخشب وغيرها. هناك أيضًا عبوات مصنوعة من فطر عيش الغراب (الصورة أدناه) يمكن تشكيلها واستبدال الستايروفوم.
الصورة: العبوة القابلة للتحلل الحيوي المصنوعة بواسطة Ecovative Design باستخدام مادة mycelium biomaterial من النفايات الزراعية بواسطة mycobond مرخصة بموجب (CC BY-SA 2.0)
التطبيقات الأخرى التي يتم تقييمها حول العالم لا تزال في مرحلة التطوير ... المطاط الصناعي اليوم مشتق بالكامل من مصادر بتروكيماوية ، لذلك يحاول الباحثون إنشاء إطارات مصنوعة من الايزوبرين الحيوي. يتم إدخال الإنزيمات النباتية في الكائن الدقيق عن طريق نقل الجينات ، وبالتالي إنتاج الأيزوبرين. في البرازيل ، تجري دراسة طريقة لتحويل الميثان إلى بلاستيك قابل للتحلل باستخدام الكائنات الدقيقة تحت ظروف خاضعة للرقابة. المواد الكيميائية ، والأكريليك ، وتطوير اللقاحات ، ومعالجة النفايات الزراعية ، والمضادات الحيوية ، من بين أمور أخرى ، هي أمثلة على منتجات البيولوجيا التركيبية التي يمكن إعادة إدخالها في التيار ، مما يؤدي إلى إنشاء نظام دوري.
لتضمين المبدأ الثاني للاقتصاد الدائري ، يمكن للبيولوجيا التركيبية أن تخلق مواد أكثر مقاومة وتستمر لفترة أطول ، ولا تتطلب إصلاحات مستمرة ، أو استبدال الأجزاء ، أو حتى شراء منتجات جديدة في كثير من الأحيان. يتم تصنيع المواد التي يمكن إعادة استخدامها بسهولة في عمليات أخرى ، لإنشاء منتجات جديدة ، أو التي يسهل إعادة تدويرها. إذا كانت كل هذه المواد الافتراضية تحتوي على هذه الشروط ، فلن تصبح نفايات ، مع انخفاض التلوث والتخلص منها في مدافن النفايات ، أي أنها ستستمر في الدوران للاستخدام.
الجانب الآخر من القصة
لا تزال هذه التقنية حديثة جدًا ومع اكتشاف المزيد والمزيد من الاستخدامات والمواد التي يمكن استبدالها بأخرى اصطناعية ، يتناقص استخراج الموارد من البيئة ، مما يسمح لها بالتعافي بشكل طبيعي. من خلال استعادة مرونة البيئة ، يتم استعادة التوازن وسنكون قادرين على العيش على كوكب أكثر استدامة.
لكن مثل كل شيء جيد ، هناك بعض الاحتمالات. هذا الفرع العلمي ، الذي يعتبر أيضًا هندسة وراثية متطرفة ، يحتاج إلى آراء رسمية. يجب أن تحتوي المنتجات على لوائح وتوصيات مفصلة لتجنب أي فرصة للخطأ ، بحيث تصبح المخاطر والفوائد واضحة قبل تسويقها. نظرًا لأن التجارب الأولية في البيولوجيا التركيبية كانت واعدة جدًا من الناحية الاقتصادية ، فلا توجد قيود كثيرة حتى الآن ، مما قد يمثل مشكلة.
أحد الآثار السلبية التي يمكن أن تحدث هو فقدان التنوع البيولوجي مع تكوين كائنات دقيقة اصطناعية يمكن أن تعمل بشكل غير متوقع في البيئة. على سبيل المثال: إذا تم إطلاق كائن دقيق اصطناعي عن قصد أو بدونه ، وأحيانًا غير مسموع في الطبيعة ، فيمكن أن يتصرف مثل الغازي وينتشر ، مما يؤدي إلى تعطيل النظم البيئية بأكملها ، ومن المستحيل "اصطياد" وإزالة جميع البكتيريا من بيئة.
فيما يتعلق بالمسألة الاجتماعية ، يمكن أن تعاني البلدان الفقيرة أكثر بكثير من البلدان المتقدمة. يمكن أن يؤدي استخدام الكائنات الدقيقة في الإنتاج الضخم لمنتج معين إلى استبدال المحاصيل الطبيعية بأكملها ، مما يترك ملايين العائلات عاطلة عن العمل. ومع ذلك ، ستكون هناك حاجة للزراعة الأحادية لتغذية البكتيريا ، حيث أن مصدر طاقتها هو الكتلة الحيوية.
على النطاقات الكبيرة ، تتطلب بعض المنتجات الكثير من المواد العضوية ، مثل السكر. من المحتمل أن تبدأ العائلات العاطلة عن العمل في زراعة قصب السكر فقط (لقد أحدث الوقود الحيوي بالفعل تغييرات كبيرة في استخدام الأراضي) ، مما قد يؤثر على الوصول إلى الأرض والمياه وزيادة استخدام مبيدات الآفات ، من بين أمور أخرى.
كل هذه الأسئلة مرتبطة مباشرة بأخلاقيات علم الأحياء. إن قوة البيولوجيا التركيبية هائلة. إن تصميم الكائنات بالطريقة التي نريدها يجعلها غير متوقعة ، لذلك يجب على العلماء والمجتمع استخدام هذه القوة بمسؤولية وأمان ، بدعم من الحكومات. هذا دائما سؤال صعب
كل هذه العوامل الإيجابية أو السلبية يمكن أن تساعد أو تضر الاقتصاد الدائري وكوكبنا. ولكن لا يزال هناك الكثير للنقاش والكثير من المعرفة التي يجب طرحها حول هذا الموضوع. ليس هناك من ينكر أن البيولوجيا التركيبية هي اتجاه للمستقبل ، ولكن الشيء الأكثر أهمية هو تحديد كيفية تطبيق هذه التكنولوجيا المتقدمة.
شاهد مقطع فيديو مهمًا عن عواقب البيولوجيا التركيبية.
