合成生物学会改变我们的耕作和饮食方式吗?
Igor Strukov通过Shutterstock拍摄的麦田图像。
成千上万的研究人员将在波士顿下降，这落在了作为世界上最大的合成生物学家聚集的活动。该领域正在发展如此迅速，即甚至科学家在其中工作不要认同某个定义但合成生物学的核心是将工程学原理引入生物技术。这种方法最终将使科学家更容易设计、测试和构建活的部分和系统，甚至整个基因组。
如果基因测序是关于读取DNA和基因工程正如我们所知是关于复制、剪切和粘贴的，合成生物学是关于编写和编程新的DNA，有两个主要目标:从零开始创造遗传机器，并对生命如何运行获得新的见解。
在波士顿，科学家和学生将展示今年夏天开发的synbio项目，包括各种系统，从新的自然奇观，如将大气中的氮转化为有用的形式(固氮作用)，到新设想的功能，例如一种无味的大肠杆菌细胞，旨在生产一种柠檬味的、含有必需氨基酸的可食用“神奇蛋白质”。
现在在第11年，IGEM（国际转基因机器）竞争与合成生物学本身一起长大。该事件由非营利组织纺织基金会纺出来，该活动已获得公共和私人合作伙伴的混合，包括联邦调查局，国家科学基金会，孟山都和Autodesk。难怪。Synbio可以产生转型性科学和大型企业。通过一些人估计，到2018年，预计将增加全球合成生物市场以160亿美元。在药品，诊断工具，化学品和能源产品如生物燃料的大部分预期活动中心。但面对能源和水的限制，挤压可耕地和限制温室气体排放的必要条件，Synbio也可以改变我们的农场和吃饭的方式。
虽然今天的许多转基因作物只包含一个单一的工程基因，合成生物学使更容易产生更大的基因簇和基因部分。然后，这些合成簇可以用更传统的方法改造成植物或微生物。因此，今天的iGEM竞争者可能就是明天新一代转基因生物的开发者。通过从在线数据库中编录的遗传代码中组装生物系统，并通过计算机建模进行微调，它们可以在更多变的气候和不支持集约化农业的土地上，用更少的水、土地、能源和更少的化学投入，生产出更有营养的作物。
合成DNA可以通过几种方式用于食品生产。通过转基因酵母发酵制成的食品和调味品是一种选择。例如，一家名为Muufri的初创公司正在开发动物任意牛奶产品；一个众筹“生物黑客”团体与旧金山湾区的社区实验室合作，旨在创造一种素食奶酪;瑞士公司Evolva正在利用合成生物学技术开发藏红花、香草素和甜菊糖。其他公司，如Solazyme，正在对微藻进行改造，以生产藻类“黄油”、富含蛋白质的面粉和一种素食蛋白。而在学术界，正在进行的研究是将合成的基因簇最终直接插入植物或微生物中土壤和根影响植物生长．
对一些人来说，合成DNA进入农场、市场和餐桌是一个可怕的未来。环境新闻网站Grist称之为合成生物学“转基因战争的下一条战线。”环保组织“地球之友”(Friends of the Earth)认为，转基因作物是“化学农业的直接延伸”，它把synbio称为基因工程的“极端形式”。
据“地球之友”的食品和技术活动家达纳·珀尔斯说，该组织并不反对这项技术，而是反对其负责任的使用。“我们正处在十字路口，”她说。“我们有机会回顾历史，从错误中吸取教训。”透明度是关键。她说:“在合成生物学被认定为可持续的、自然的或有助于缓解气候变化的技术之前，我们需要针对这些技术的国际和国家法规。”“我们需要确保它不会弊大于利。”
事实上，我们才刚刚开始揭示这项技术的生态影响。专家咨询了最近的一份报告伍德罗威尔逊中心的合成生物学项目需要进行更多研究的潜在风险包括产生“新的或更有活力的害虫和病原体”，以及“造成物种多样性或物种内遗传多样性的不可弥补的损失或变化”。
在现实世界中评估这些风险是很复杂的。虽然一些工程性状“显然对环境有很大的好处，而且风险很小，”植物遗传学家帕梅拉·罗纳德他说:“每个基因或性状都必须根据具体情况进行评估。”实验生物通常会在实验室或在田间试验，这可能不足以预测一个完整生态系统的共同进化和相互作用。根据威尔逊中心的报告，目前用于生态进化动力学的一些最先进的模型在超过10年的时间框架内会出现问题。
“我们不知道这些生物如何[通过合成生物学开发]将与粉素互动，土壤系统，其他生物相互作用，”Perls说。和释放到生态系统中的合成DNA的自我复制生物，可以用野生对应物交换基因。“我们需要期待逃生;当发生这种情况时，我们需要准备好处理它，”她说。
而许多参与合成生物学的人说，现有的工程植物的监管通常在美国是分裂的环境保护署，食品和药物管理局和农业部-将充分扩展到synbio其他人则认为有必要加强监管。例如，j·克雷格·文特尔研究所、欧洲分子生物学组织和弗吉尼亚大学的政策分析师们，今年早些时候结束向合成生物学的转变可能会让“许多转基因植物在上市前没有任何监管审查”，因为美国农业部的权威所依赖的技术在许多应用中已经过时。作者警告说，预计将被设计用于商业用途的微生物的数量和多样性将会增加，这将挑战“EPA的资源、专业知识，或许还有监管它们的权威”。
该报告是在Kickstarter网站上发布的一个名为“发光植物”的项目之后发布的，该项目旨在通过合成生物学生产“可持续的自然照明”，该项目暴露了一些可能的漏洞。该公司制定了一项计划，从萤火虫中提取DNA，对其进行修改，使其在与芥菜相关的开花植物中起作用，然后从一家激光打印DNA的公司订购重新编程的序列，将其涂在金属颗粒上，然后使用一种名为基因枪的设备将其注入种子。他们承诺将分发大约60万颗种子给支持者。
“这是合法的吗?是的，它是!发光植物小组写道．食品和药物管理局的规定被取消了，因为植物不是用来吃的，而环保局说这个项目会被吃掉这是美国农业部的事．但由于基因通过基因枪转移（在20世纪80年代后期建立准则后开发的技术），因此该植物落在USDA的Purview之外。作为稍后为本机构的发言人对《华尔街日报》自然“关于合成生物制品，如果它们不构成植物风险，动植物卫生检验局(APHIS)不会对此进行监管。”海外的情况则不同。“遗憾的是，”发光植物小组写道，“欧盟有更严格的限制，所以我们不能把种子送到那里作为奖励。”
饿,饿的星球
可以肯定的是，重新设计全球粮食体系的时机已经成熟。“农业是对地球环境影响的最大驱动因素，”明尼苏达大学全球景观计划的联合主任和首席科学家保罗·韦斯特说。农业占据了地球上约40%的无冰土地和约70%的用水。韦斯特说:“由于使用了大量肥料，这是造成水质问题的主要原因。”到2050年，我们可以预计至少会增加20亿食用者，同时还会增加对饲料作物的需求，以支持对肉类和奶制品日益增长的需求。
与此同时，气候模型指出，未来全球粮食系统将面临越来越严格的限制。韦斯特说，尽管气温升高可能会增加一些地区的产量，但仅温度和降雨量的变化就可能使作物总产量减少10%到40%。他说，干旱、洪水和极端天气事件发生频率的预期变化可能会使这些损失进一步增加。
各种改革可以帮助应对这些挑战。减少浪费、调整施肥的位置和时间、停止灌溉渗漏以及作物生产多样化将是一个良好的开端。韦斯特说，合成生物学可能在某种程度上成为解决方案的一部分。但他说，因为“我们吃的东西受到文化、口味、偏好和成本的严重影响，”他说，“即使某些东西在纸上写得很好，也不意味着它被接受了。”
“特殊的避雷针”
基因工程食品，“点燃了一个特殊的避雷针”加州大学，伯克利，生物肠道大卫考克诺德观察。与胰岛素等生物技术产生的药物不同，我们“仍然有一个替代产品，这是引用的，”纯粹的“，”纯粹的“，”Winickoff说，他们指导伯克利科学，技术和社会中心。
然而，除了少数例外，“我们吃的几乎所有东西都是在农场生产的，这是一个人工环境，”罗纳德说。更重要的是，在气候变化和生态系统恢复的时代，Winickoff说，“很难维持‘纯粹’自然的观念。”他问道，如果我们这个物种已经塑造了我们这个星球的状态，这是否会迫使我们进一步干预，以纠正过去的错误——或者至少适应它们的后果?
“出现了出现问题的技术专区干预措施的各种例子，或者至少有[曾经]的社会后果 - 有些好的和一些不好，”Winickoff说。
“大规模干预有赢家也有输家，”他补充道。“这不仅与总风险和收益有关，还与如何分配风险和收益有关。”
新的“自然”
“合成生物学应该能够做的是提高我们最终将阳光转化为蛋白质和碳水化合物的效率，”Evolva首席执行官尼尔·戈德史密斯(Neil Goldsmith)说。该公司已经根据一个基因主题产生并筛选了数十亿种变异，最终设计出一个依靠糖、电、水(提醒人们，即使是微生物工厂也需要输入)和含有合成DNA的酵母细胞运行的系统。酵母细胞在生产过程中被移除，在分子水平上，其结果与赋予香草兰花种子独特味道的化学物质相同。
根据Evolva的说法，它的生活Vanillin工厂反映了用于制作啤酒的发酵过程。并与来自石油的现有香草调味剂相比，该公司要求提供“自然。”在戈德史密斯看来，不存在所谓的人工基因。“DNA就是DNA，”他说。就功能而言，“对基因来说重要的是序列，而不是你如何制造它。”
“地球之友”发起了一项运动，阻止“合成香草”进入冰淇淋，并警告称，这种产品“可能会开一个危险的先例，让合成基因工程成分偷偷进入我们的食品供应，并被贴上‘天然’的标签。”’”作为回应，Häagen-Dazs和其他一些冰淇淋制造商使用了真正的香草豆中的香草精有没有说过他们不会使用通过合成生物学生产的香草味．
对“地球之友”这样的组织来说，部分担忧是，合成DNA是“在自然之外、在自然选择过程之外”开发的。珀尔斯说，这是一个令人震惊的遥远的距离，从几十年和几个世纪的杂交作物，并“最终让自然弄清楚这些作物将如何生存。”
从冰箱里出来，到野外
当食品中合成的DNA第一次受到公众舆论的挑战，被推向冷冻甜点的通道时，synbio及时的方法可以重新编程植物和它们的环境之间最基本的相互作用。
合成DNA的能力在UC DAVIS的罗纳德实验室的工作中有“完全转变”，因为研究人员不再需要分离DNA序列来研究它。大约25年前，罗纳德开始寻找水稻中的基因，使植物抵抗疾病或容忍应力。1995年，她的团队孤立一种赋予抗病性的基因。2006年，研究人员终于能够孤立一组可以赋予水稻品种洪泛耐受性的基因，否则在水下几天会死亡。到2013年，菲律宾的超过400万农民，孟加拉国和印度养成了稻米工程（通过称为精密育种的过程）来具有该遗传标记。
罗纳德说:“合成不会使事情加快很多”，因为在这种情况下，缓慢的工作必须识别感兴趣的基因，并将它们引入植物。改变的是，研究人员现在可以从政府数据库中记录的越来越多的DNA序列中扫描候选人，一旦候选人被确定，就更容易开始研究和排序他们。她说:“你可以合成很多结构，并非常迅速地测试它们。”
“我们需要减少碳排放和有毒物质的投入，减少土地和水的使用，防治害虫，并提高土壤肥力，”罗纳德说。虽然预测哪种工具在实现长期的安全和可持续性目标方面最有效还为时过早，她说，“对于农民或遗传学家来说，我们使用任何有用的工具。”竞彩足球app怎么下载
这项工作的加速步伐为新的风险打开了大门。然而，哈佛医学院(Harvard Medical School)生物化学和系统生物学教授帕梅拉·西尔弗(Pamela Silver)表示，合成生物学就像两用研究领域的许多其他技术一样。“有好的一面，也有潜在的黑暗面。”
合成生物学建立在分子生物学、系统生物学和生物技术几十年的进步基础上。20世纪80年代，采用聚合酶链反应技术使得放大DNA片段并制造数十亿份副本成为可能、银解释道。随着时间的推移，科学家可以提取基因并进行特定的突变，但这仍然是自然的基础。今天，“你不再被自然所提供的东西所束缚。你可以开始创造东西，”西尔弗说。“你可以在PCR的日子里做到这一点，但现在，随着DNA制造成本变得越来越便宜，那么真正的限制就只有你的想象力了。”
自动关闭
一些合成生物学家正在设想一个工程性状的“关闭”开关。今天的作物已经被改造成能忍受害虫、除草剂、疾病或干旱，一直表现出这种耐受性。生物物理学家和合成生物学家克里斯托弗·沃伊特解释说，有了synbio的工具，一个有机体可以被编程成具有“处理问题然后消失”的遗传特征。
随着设计整个基因组的工具赶上构建它们的能力，福格特希望看到谷物作物被编程来感知和响应环境信息，比如干旱。福格特说，在未来的几年里，“你会想到你想要的生物体，然后从零做起，系统地构建这种生物体。”
作为一个示范福格特在麻省理工学院的研究小组在一种细菌中植入了一组16个精细调整的基因，使其具有固氮能力。如果成功地应用于植物，这种方法可能会减少氮肥的使用，氮肥会导致一氧化二氮的排放——一种强大的温室气体。这对能源也有影响。根据关于新出现的合成生物政策问题的最新论文从经济合作和发展组织，通过合成生物学创建自肥植物的影响“可以彻底改变农业，并将从石油工业中解脱出农业。”
“固氮是非常敏感的，”沃伊特说。“如果你改变了任何一个级别，它就会完全停止工作。”圣路易斯华盛顿大学国际先进可再生能源和可持续发展中心主任、该校iGEM团队负责人Himadri Pakrasi解释说，部分挑战在于，植物在光合作用过程中产生的氧气对一种叫做固氮酶的关键酶“超毒性”。竞彩足球app怎么下载他说:“这可能就是为什么大多数植物还没有想出如何为自己固定氮的原因。”
然而，有一类特殊的蓝藻细菌能够同时完成光合作用和固氮作用。关键是要有一个基因开关，白天进行光合作用，晚上固氮。Pakrasi的团队正致力于从这种蓝藻中“导入”固定氮的开关和部分——大约36个基因——到另一种同样进行光合作用但缺乏固定氮的基因部分的蓝藻中。
在原始生物体中，参与氮固定的基因散落“全部在基因组上”，这对移植不方便。Pakrasi说，将这些基因合成为整洁的包装或质粒，现在相对简单，而且它变得便宜。他的实验室可以从越来越多的DNA制造商中购买一个基因，因为几个月前甚至是他们为同一产品支付的价格不到一半。
“挑战的下一阶段更大：如何将这种制作质粒的操作连接到蓝藻存在的遗传程序”，“他说。合成生物学方法提供了一种与这些连接进行修补方法，因此定制内构成的基因群集可以在新单元中运行。“如果我们解决这个问题，我们还没有，那么可以将相同的原则应用于作物植物中的叶绿体，”巴拉西说。他设想了该计划，帮助提高玉米，米饭，小麦和其他作物的产量在许多农民的肥料昂贵的地方。“如果可以完成，它可以以非常重要的方式解决世界的食物问题。”
农业技术在过去的一万年里一直在变化，而现在它们正处于重大变化的尖端。但合成生物学还处于早期阶段。罗纳德说:“希望这些变化能让我们的地球在接下来的一万年里保持良好的状态。”
