合成生物学如何帮助建设可持续发展的城市

必威体育2018可持续性正在流行，企业和城市都争相改善其公众形象，并使用可再生资源生产商品和服务。然而，城市成倍膨胀，碳排放继续增加。全球有限公司2排放量几乎每年都在上升(2014年约为360亿吨)，其中大部分来自固体和液体燃料。

几十年来，人们一直在提出减少这些排放的科学和经济解决方案，并取得了一些成功。但21圣世纪的问题需要现代的解决方案，而企业——碳排放的主要贡献者——通常不愿意以牺牲利润为代价来促进可持续发展。必威体育2018

幸运的是，合成生物学——一种创造和使用工具在细胞中设计和构建功能的生物学工程方法——提供了一种实现可持续生产过程的方法，可以在生产出优于市场上现有产品的材料、燃料和化学品的同时降低成本。

转基因生物的工程学和适应性提供了解决办法。

合成生物学:下一个工业革命

2000年，出现了两封研究信件回来- - - - - - - - -回来发表在《自然》杂志上。在一月号的最后几页，他们预示着生物学的范式转变。

在这些信件中，科学家们报告了第一个在活细胞中成功运作的遗传电路。科学家们以电路为模型，使用完全合成的DNA在生物体中构建了两种生物电路，并对细胞进行编程，使其执行自然界中没有的预定义行为。

尽管合成生物学在过去20年里取得了长足的进步，但它最大的考验——面向循环和可持续经济的工业规模制造——才刚刚开始。

一群技术娴熟的物理学家、生物工程师和分子生物学家很快就涌入这门学科，急切地想为能够发挥未开发功能的细胞编程。在接下来的几年里，工程细胞处理和记录信息，执行复杂的行为(如计数和形成模式)，并将廉价的起始材料转化为有价值的化合物和药物。

今年4月，合成生物学迎来了曙光《经济学人》的封面，广泛传达了它的承诺和危险。尽管合成生物学在过去20年里取得了长足的进步，但它最大的考验——面向循环和可持续经济的工业规模制造——才刚刚开始。

喂养生物体以获取利润

人类开发微生物已有数千年的历史。通过向细菌和酵母菌提供单糖，他们长期生产出面包、葡萄酒、啤酒和奶酪等美味的食物。

但合成生物学家正在改变这些有机体的代谢途径，让它们消耗二氧化碳和甲烷等碳废物，而不是糖。通过改变它们的食物供应，细胞仍然可以生产一系列的产品，尽管浪费和费用更少。

一些工业城市，主要是在亚洲，已经从工厂中提取二氧化碳和甲烷废料，并将其作为制造商业产品环境的原料。生物塑料，包括讨厌的宠物，正在被工程生物体降解。产生氮的微生物甚至被用作合成肥料，以减少我们对氨的依赖，氨的生产是能源密集型和浪费的。

合成生物学家正在改变这些有机体的代谢途径，让它们消耗二氧化碳和甲烷，而不是糖。

随着我们可靠而快速地改造生物体的能力提高，活细胞将越来越多地用于工业规模的产品生产。合成生物学解决方案可在城市和直辖市的许多部门实施，以应对当前在可持续燃料生产、废物和碳排放回收、提高作物产量和生产高营养食品方面的挑战。

无论人类社会在哪里兴起，这些应用都将带来广泛的好处，同样的技术将帮助维持我们在地球上的生活，也将支持我们在星球上居住的旅程。

在以每秒5英里的速度绕地球运行的国际空间站上，工程种子正在长成植物，很快就能制造出特定的蛋白质，包括抗病毒抗体，随需应变。美国宇航局也在探索合成生物学因为原油和其他碳源并不容易获得，所以在火星和深太空将二氧化碳转化为有价值的有机物质。其他科学家正在积极探索利用合成生物体在太空生产食物或帮助地球化火星大气的方法。

这些看似遥远的梦想的实现，被从事合成生物学研发的企业拉近了。每天都有更多的公司加入生物革命，渴望在降低成本和减少浪费的同时改进他们的产品。

工业合成生物学已经对循环经济产生了影响。betway必威体育手机版

如果细胞可以被改造成将碳转化为燃料和药物，那么它们也可以被改造成将废物转化为燃料和药物，比如每年产生的数十亿吨废物。但貌似可信很少能带来持久的结果。以芝加哥为例。

2015年，居民和活动在芝加哥产生了3200万公吨的二氧化碳(PDF).减少这些过高的排放是一个不小的成就，一个单一的补救办法不可能提供一个全面的解决方案。但是合成生物学可以，而且已经做到了，通过将碳排放转化为有价值的材料，使像芝加哥这样的城市更加可持续。

LanzaTech是一家工业级的合成生物公司，利用碳废物，并将其转化为使用工程生物体的运输燃料。betway必威娱乐它打开了去年，北京以外的第一个工业设施收集了一家钢铁厂的排放每年生产1600万加仑乙醇。不久，该公司将扩大到另外四家工厂，减少的排放量相当于每年减少成千上万辆汽车。

化工巨头杜邦公司该公司还积极将研发转向合成生物学解决方案，通过其工业生物科学部门来缓解烦人的化学制造问题。该公司已经在开展大规模、积极的研究项目，以减少食物浪费，生产可再生燃料，并利用转基因生物以市场为导向的解决方案生产生物材料。今年早些时候，杜邦开始建造新的欧洲总部为其在荷兰的工业生物科学部门，目的是扩大全球影响。

其他公司正在探索合成生物学，将其作为减少农业碳排放的一种手段。农业占美国温室气体排放的近10%。

其他公司正在探索合成生物学作为减少农业碳排放的一种手段占近10%美国温室气体的排放量。结果令人难以置信地充满希望。

主生物该公司宣布，他们成功研制出一种可以取代合成肥料的产氮微生物。氨的生产是能源密集型和浪费的，每年向大气中排放数百万吨的二氧化碳。Pivot Bio的工程菌株将在不影响作物产量的情况下减少农业对合成肥料的依赖。在最近的生长试验中，这种微生物表现优于合成肥料(PDF)每英亩增加7.7蒲式耳。

近年来，“无肉肉类”产业也在不断扩大，利用转基因生物的能力，在没有牛的情况下，重新创造出真正肉类的味道。不可能的食物在美国，著名的“不可能汉堡”(Impossible Burger)的创造者利用工程酵母产生血红素(血红素是血液中发现的主要蛋白质)，让以植物为基础的汉堡具有红肉的味道。

其他公司，如Spiber和Checkerspot他们的目光锁定在从原始碳源生产高性能材料上。

Spiber是一家生产合成蜘蛛丝，泡沫和薄膜通过设计蛋白质，在分子水平上组装成预先定义的模式和结构。从蜘蛛身上榨取蚕丝是非常耗时的。现在，该公司可以利用合成生物学技术在几天内修改天然丝纤维并设计出新的材料功能。例如，当普通丝在水中收缩时，Spiber发明了一种改性的疏水性丝，扩大了它们在户外服装上的用途。斯皮伯之前与北脸合作生产高性能滑雪服由生物工程材料制成。

除了纺织业，来自加州伯克利的Checkerspot工程公司还利用微藻(一种存在于水中的光合生物体)来生产仅用化学方法难以生产的油。这些包括防油防水涂料，甚至是棕榈油的替代品。大片的雨林被砍伐以生产棕榈油破坏生态系统，加剧碳排放。

在所有这些例子中，大自然是面包板，科学家们只是受限于他们的想象力。有了CO，生物体可以生产出几乎无穷无尽的化学物质和材料2以及其他碳源，比如甲烷，比如饲料。

但前方仍有障碍。

未来展望基于生物的解决方案

想象不是实现。尽管合成生物学在过去的二十年里取得了显著的进步，但公众对它的广泛接受仍然难以捉摸。基因编辑一直占据着新闻头条——这一趋势并不总是积极的。对转基因作物的反对仍然特别激烈。在那些“听了很多”转基因食品的美国人中，近一半的人认为这是健康风险在过去的几十年里，转基因食品在农业中被广泛采用。

尽管合成生物学的媒体报道具体而言比转基因食品要少，但事实将证明，准确和及时地传播信息对于改变公众的接受程度至关重要，特别是在工程生物大量生产药品和其他消耗品的情况下。工程大肠杆菌自1978年以来，人造胰岛素一直被用于生产人体胰岛素，几乎没有引起公众的反对，但未来使用合成生物学生产的药物、服装生产线和燃料是否会如此容易被接受，这一点并不确定。

尽管循环经济的构betway必威体育手机版想由来已久，但直到最近才完全实现。在这场战斗的下一阶段，合成生物学——连同经济激励和政治影响——将引领地球上和太空中的城市和经济走向它们不可阻挡的命运。

尼古拉斯·麦卡蒂对本文有贡献。他是加州理工学院生物工程博士。他之前以富布赖特学者的身份在伦敦帝国理工学院完成了系统和合成生物学的硕士学位。