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，企业和城市都在争先恐后地改善其公众形象，并利用可再生资源生产商品和服务。然而，城市呈指数级膨胀，碳排放继续增加。全球有限公司2排放量几乎每年都在增加(2014年约360亿吨)，其中大部分来自固体和液体燃料。

已经提出了几十年来减少这些排放的科学和经济解决方案，沿途成功。但是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来设计和构建细胞功能的生物学工程方法——提供了一种实现可持续制造过程的方法，可以在生产比市场上现有产品更好的材料、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方案。

合成生物学:下一次工业革命

2000年，出现了两封研究信背部-到-背部发表在《自然》杂志上。在一月份的最后几页，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基因电路。科学家们以电路为模型，利用完全合成的DNA在生物体中构建了两种类型的生物电路，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，但它最伟大的考验——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蜂拥而至，渴望为细胞编程，让它们能够执行未开发的功能。在随后的几年里，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)，并将廉价的原始材料转化为有价值的化合物和药物。

今年4月，合成生物学领域迎来了新气象《经济学人》的封面，广泛地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，但它最伟大的考验——循环和可持续经济的工业规模制造——才刚刚开始。

喂养有机物的利润

人类利用微生物已有数千年的历史。通过向细菌和酵母提供单糖，他们长期以来一直生产美味的食物，如面包、葡萄酒、啤酒和奶酪。

但合成生物学家正在重新排出这些相同生物的代谢途径，使得它们消耗碳废物，例如二氧化碳和甲烷，而不是糖。通过改变他们的食品供应，细胞仍然可以产生曲目的产品，尽管浪费和费用较少。

一些工业城市，主要在亚洲，已经从工厂中吸收二氧化碳和甲烷废料，并将其作为原料来制造一系列商业产品。生物塑料，包括讨厌的PET，正在被工程生物降解。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生物的代谢途径，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的提高，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以在城市和市政府的许多部门实施，以应对目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。

无论人群社区出现的位置，这些应用都将具有广泛的好处，以及有助于维持美国的相同技术也将支持我们居住星星的旅程。

在以每秒5英里的速度绕地球运行的国际空间站上，工程种子在植物中，很快可以制造特定的蛋白质，包括抗病毒抗体。美国宇航局也探索了合成生物学将二氧化碳转化为MARS和深空的有价值的有机材料，因为原油和其他碳源不会容易获得。其他科学家正在积极探索利用合成生物的方法在太空中生产食物或帮助Terraform Mars的氛围。

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距离。每天都有越来越多的公司加入到生物革命中来，渴望在降低成本和浪费的同时改善他们的产品。

工业合成生物学已经在循环经济中进行了凹痕。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——比如每年产生的数十亿吨废物——转化为同样的东西。但是，看似合理的说法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3200万吨二氧化碳(PDF)．减少这些过高的排放是一项不小的壮举，单一的补救措施不太可能提供全面的解决方案。但是，合成生物学可以，而且已经在通过将碳排放转化为有价值的材料，使芝加哥这样的城市更加可持续。

LanzaTech是一家工业水平的合成生物公司，利用工程生物将碳废物转化为运输燃料。betway必威娱乐它打开了这是北京以外的第一个工业设施，收集一家钢铁厂的排放每年产生超过1600万加仑的乙醇。不久，该公司将扩大到另外四个工厂，减少排放量相当于每年从道路上移除数十万辆汽车。

化工巨头杜邦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缓解恼人的化学制造问题。该公司已经在开展大型、积极的研究项目，以减少食物浪费，以可再生方式生产燃料，并利用市场驱动的解决方案，利用基因工程生物制造生物材料。今年早些时候，杜邦开始建造一个新的欧洲总部对于其在荷兰的工业生物科学部门，目的是扩大全球影响。

其他公司正在探索将合成生物学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%。

其他公司正在探索将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。

主生物从加利福尼亚州伯克利以伯克利出来，宣布其成功地发展了一种可以取代合成肥料的氮素生产微生物。氨的生产是能源密集型和浪费，每年为大气贡献数百万吨二氧化碳。Pivot Bio的工程菌株将降低农业产业依赖于合成肥料，而不会影响作物产量。在最新的增长试验中，微生物优于合成肥料(PDF)每英亩7.7蒲式耳。

近年来，“无肉肉类”行业也在不断扩张，利用转基因生物的能力，在没有奶牛的情况下重现了真正肉类的味道。不可能的食物，着名不可能汉堡的创造者，使用工程酵母产生血红素，血液中发现的主要蛋白质，给植物的汉堡味道的红肉的味道。

其他公司，如Spiber和Checkerspot他们把目光锁定在利用基本碳源生产高性能材料上。

斯派克是一家生产合成蜘蛛丝网，泡沫和薄膜通过设计在分子水平上组装成预定义模式和结构的蛋白质。从蜘蛛中养殖蛛丝是极其耗时的。现在，该公司可以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，普通的蚕丝在水中会收缩，而斯皮伯创造了一种疏水的变种，扩大了它们在户外服装上的用途。斯派伯之前与The North Face合作生产高性能滑雪服由生物工程材料制成。

在纺织品之外，加州伯克利的Checkerspot公司还在研究微藻，一种存在于水中的光合作用生物，它能产生仅靠化学方法难以制造的油。这包括油和防水涂料，甚至棕榈油替代品。大片的雨林被砍伐以生产棕榈油，破坏生态系统和加剧碳排放。

在所有这些例子中，自然是面包板，科学家们只受限于他们的想象力。在CO的作用下，从生物体中可以生产出几乎无穷无尽的化学物质和材料2和其他碳源，如甲烷，作为饲料。

但前方仍有障碍。

基于生物的解决方案的未来展望

想象不是执行。尽管合成生物学在过去的二十年中取得了显著的进展，但广泛的公众接受仍然难以实现。基因编辑一直占据着新闻头条——这种趋势并不总是积极的。对转基因作物的反对尤其激烈。在那些“听说过很多”转基因食品的美国人中，近一半的人认为它们对健康有害尽管在过去的几十年里转基因食品在农业中被广泛采用。

虽然合成生物学的媒体报道特别少于转基因食品，但准确和及时的信息传播将证明是影响公众接受度的关键，特别是在工程生物大量生产药物和其他消耗品的情况下。工程大肠杆菌已被习惯于自1978年以来的人类胰岛素，但在很少的公共障碍中，但没有确定的是，未来药物，使用合成生物学生产的服装线和燃料将被易于接受。

虽然循环经济的构betway必威体育手机版想由来已久，但直到最近才完全实现。在这场斗争的下一阶段，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。

Nicholas McCarty为这篇文章做出了贡献。他是加州理工学院（CALTECH）的生物工程博士学生。他以前在伦敦帝国学院作为富布莱特学者完成了他的系统和合成生物学的主教。