Cuộc cách mạng công nghệ sinh học cho ngành vật liệu, năng lượng và thực phẩm

Công nghệ sinh học ngoài lĩnh vực y tế

Hầu hết sự chú ý trong lĩnh vực Công nghệ sinh học đều hướng tới y học và dược phẩm. Những lý do khá rõ ràng: Công nghệ sinh học có khả năng loại bỏ các bệnh mãn tính và hiếm gặp, chống lão hóa, chữa bệnh ung thư và các bệnh truyền nhiễm.

Đây là một lĩnh vực mang lại nhiều lợi nhuận, với nhiều công ty lớn nhất thế giới tập trung vào lĩnh vực dược phẩm.

Tuy nhiên, đây không phải là lĩnh vực ứng dụng duy nhất của Công nghệ sinh học. Xét cho cùng, toàn bộ sinh quyển về cơ bản là một tập hợp các cỗ máy nano (protein và tế bào) có khả năng xử lý ánh sáng mặt trời và không khí thành vật chất, thực phẩm và năng lượng. Ngay cả toàn bộ ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch cũng dựa trên hoạt động sinh học hàng triệu năm trước tạo ra than, dầu và khí đốt.

Vì vậy, khả năng làm chủ cuộc sống ngày càng tăng của chúng ta, ở cấp độ di truyền và phân tử, có thể sớm thấy nhiều quy trình công nghiệp được thay thế bằng các công nghệ hỗ trợ công nghệ sinh học bền vững hơn.

sản xuất lương thực

Lĩnh vực phi y tế đầu tiên được ứng dụng trực tiếp công nghệ sinh học là sản xuất nông nghiệp. Cây trồng biến đổi gen hiện đã có tuổi đời hàng chục năm và đang nhanh chóng được cải tiến để trở nên bền vững hơn và ít gây tranh cãi hơn.

Công nghệ sinh học nông nghiệp ước tính tăng từ 79.9 tỷ USD năm 2023 lên 119.6 tỷ USD vào năm 2028.

Một ứng dụng đơn giản là phát triển các giống cây trồng mới có khả năng kháng bệnh và sâu bệnh hoặc chịu hạn tốt hơn, sóng nhiệt, lũ lụt và các rối loạn khí hậu khác.

Một khả năng khác là thay đổi vi khuẩn và vi sinh vật trên cây, bên trong cây và trong đất. Điều này có thể thay thế nhu cầu phân bón hóa học và thuốc trừ sâu bằng vi khuẩn. Chúng tôi đã thảo luận về cách có thể thay đổi hệ vi sinh vật thực vật trong bài viết của mình “Hệ vi sinh vật thực vật được thiết kế—Bảo vệ cây trồng bằng vi khuẩn".

Nguồn: Năng lượng.gov

Trong lĩnh vực này, một số nhà lãnh đạo đã nổi lên, đặc biệt là Bavarian (VỊNH). Công ty này là một trường hợp điển hình về ranh giới mờ nhạt giữa các công ty dược phẩm và nông nghiệp, với các hoạt động ở cả hai phân khúc.

Chúng tôi đã thảo luận về chủ đề này và Bayer trong các bài viết của mình “Thúc đẩy Nông nghiệp với AI và Kỹ thuật Di truyền - Tương lai của Trồng trọt"Và"Công nghệ nhiễm sắc thể nhỏ – Con đường tốt nhất để tăng năng suất cây trồng bền vững?".

Thực phẩm thay thế

Chỉnh sửa gen cũng có thể được sử dụng để tạo ra các loại thực phẩm mới. Ví dụ, cây trồng hoàn toàn mới được tạo ra từ cỏ dại có thể là một lựa chọn.

Các chất thay thế thịt có cảm giác và mùi vị giống thịt, đồng thời có lợi cho sức khỏe hơn, cũng có thể được tạo ra bằng cách thay đổi bộ gen của nấm.

Nhiên liệu sinh học & Năng lượng

Nếu thực vật là nguồn nhiên liệu hóa thạch ban đầu từ hàng triệu năm trước, liệu sinh khối mới trồng có thể cung cấp năng lượng cho chúng ta trong tương lai không?

Đây là lời hứa của nhiên liệu sinh học. Hai thế hệ nhiên liệu sinh học đầu tiên chỉ sử dụng các sản phẩm từ canh tác truyền thống (1^st thế hệ sử dụng các sản phẩm thực phẩm như ngô, 2^nd phát sinh chất thải nông nghiệp).

Nhưng 3^rd Việc tạo ra nhiên liệu sinh học đang tìm cách sử dụng các sinh vật tùy chỉnh để trực tiếp sản xuất nhiên liệu hiệu quả hơn nhiều đồng thời tránh gây áp lực lên sản xuất lương thực và cung cấp nước ngọt.

Nhiên liệu sinh học thường là ethanol nhưng cũng có thể bao gồm nhiều loại phân tử khác, bao gồm axit béo chuỗi dài (tương tự như dầu), khí sinh học, hydro và amoniac.

Một lựa chọn là sử dụng tảo, loại tảo có thể được trồng ở đại dương hoặc ở sa mạc có nước biển. Chúng tôi đã khám phá khả năng này trong “Nhiên liệu sinh học tảo: Cuộc cách mạng năng lượng tiếp theo?"

Nguồn: Exxon

Một lựa chọn khác có thể là biến những sinh vật nổi tiếng như nấm men thành cỗ máy quang hợp, như chúng tôi đã nghiên cứu trong “Light Happy Men có thể thay đổi cách tiếp cận của chúng ta với nhiên liệu sinh học".

Cuối cùng, sự kết hợp giữa công nghệ sinh học và công nghệ nano có thể tạo ra 4^th thế hệ nhiên liệu sinh học. Nó đôi khi còn được gọi là “nhiên liệu mặt trời quang sinh“. Điều này sẽ bỏ qua nhu cầu về toàn bộ sinh vật và tái tạo quá trình quang hợp sinh học ở quy mô lớn thông qua công nghệ nano.

Khí hậu thay đổi

Mặc dù nhiên liệu sinh học có thể góp phần quan trọng vào việc chống lại sự nóng lên toàn cầu và giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nhưng đây không phải là cách duy nhất mà công nghệ sinh học có thể giúp ích.

Trong "Đầu tư vào cổ phiếu công nghệ sinh học nghiên cứu các giải pháp làm nóng lên toàn cầu” chúng tôi đã thảo luận về một số khả năng khác:

• Thu hồi carbon, bao gồm cả thông qua cây biến đổi gen, than sinh học (bẫy carbon trong than và đất), trang trại trồng rong biển tảo bẹ, bón phân cho vi tảo của đại dương bằng sắt, Vv
• Giảm phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp.
• Sản xuất các hợp chất có giá trị cao như nước hoa, gia vị và dược phẩm trong lò phản ứng sinh học thay vì thu hoạch thực vật và động vật.
• Canh tác theo chiều dọc hoặc trong nhà để giảm áp lực lên tài nguyên đất và nước.

Nguồn: Trung bình

Vật Tư Và Vật Tư Công Nghiệp

Gỗ

Một trong những vật liệu sinh học cổ xưa nhất, gỗ, vẫn là vật liệu quan trọng trong nền kinh tế hiện đại ngày nay. Gỗ và lâm nghiệp là một ngành công nghiệp lớn trị giá 1.16 nghìn tỷ USD vào năm 2024.

Do tốc độ tăng trưởng chậm và thời gian giữa các thế hệ nên cây từ lâu đã bị loại khỏi các chương trình kỹ thuật di truyền.

Di truyền được cải thiện có thể thúc đẩy sản xuất gỗ và thu hồi carbon

Nó cũng có thể tạo ra các hình thức “trồng cây” mới, trong đó cây được sử dụng để sản xuất các hợp chất có giá trị mới, từ dược phẩm đến hóa chất.

Nguồn: nông nghiệp hiện đại

Những khái niệm này có thể sẽ được tích hợp với những tiến bộ đạt được trong việc tìm hiểu các hệ sinh thái, với các khái niệm như Nông lâm kết hợp, rừng thực phẩm và lâm nghiệp đa loài được tối ưu hóa nhằm thúc đẩy cả năng suất và lợi ích sinh thái.

Cuối cùng, gỗ có thể là vật liệu có tác dụng mạnh hơn nhiều so với dự kiến. Các nhà nghiên cứu đang khám phá ra điều kiện kiềm, nhiệt độ cao và polyme sinh học có thể biến gỗ thành “Gỗ tăng cường có thể có độ bền của thép và độ cứng gấp 23 lần so với bê tông”.

Nhựa sinh học & hóa sinh

Một phần lớn tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, cũng như một nguồn gây ô nhiễm lớn, được dành cho việc sản xuất nhựa. có thể đạt tới 20% lượng dầu và tiêu thụ khí đốt vào năm 2050.

Đây là một vấn đề quan trọng khi chúng ta bắt đầu nhận ra rằng hạt vi nhựa đang ngày càng hiện diện khắp nơi, cả trong cơ thể của chúng ta và thậm chí cả trong nước mưa.

Thay thế nhựa làm từ nhiên liệu hóa thạch bằng nhựa sinh học là một nhiệm vụ khó khăn và vẫn cần đến nhiều kỹ thuật hóa học. Nhưng điều này có thể được thực hiện và có lẽ là cần thiết nếu chúng ta muốn tiếp tục sử dụng nhựa mà không gây ô nhiễm môi trường đến mức không thể khắc phục được.

Chúng tôi thảo luận về những thách thức kỹ thuật và một số cải tiến mới nhất trong lĩnh vực này trong “Các giải pháp thay thế nhựa thân thiện với môi trường Chìa khóa cho nỗ lực bền vững: Nhựa phân hủy sinh học có phải là giải pháp?”. Và các công ty hàng đầu trong lĩnh vực này trong “Top 5 công ty nhựa sinh học".

Các lựa chọn thay thế dựa trên sinh học cũng đang được tìm thấy trong các lĩnh vực khác. Ví dụ, đối với keo, nơi chất độc formaldehyde có thể được thay thế bằng lignin. Hoặc thế nào các tấm làm từ cây gai dầu (cây cần sa không có tác dụng thần kinh) có thể được sử dụng để cách nhiệt các tòa nhà.

Sợi dệt

Các nhà nghiên cứu đã quản lý để tạo ra những con tằm có khả năng sản xuất tơ nhện ở quy mô lớn, một loại sợi bền gấp 6 lần so với Kevlar dùng trong áo chống đạn. Nó có thể được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và quân sự, cũng như chỉ khâu phẫu thuật. tơ nhện thậm chí có thể được sử dụng cho cơ robot.

Xử lý ô nhiễm & Môi trường

Vi khuẩn ăn nhựa

Ô nhiễm nhựa cũng có thể được giải quyết theo cách khác. carbios, một công ty khởi nghiệp của Pháp có xác định vi khuẩn có enzyme tiêu hóa nhựa biến tính.

Một công ty khác, Epoch Biodesign tạo ra các protein có khả năng phân hủy chất tẩy rửa, sơn, hóa chất nông nghiệp, nhựa, v.v.

Ngay cả nhà máy và nấm có thể góp phần làm phân hủy nhựa, bổ sung thêm các giải pháp sẵn có để khắc phục ô nhiễm.

Làm sạch nước thải dầu đá phiến

Gần đây hơn, một ứng dụng mới của các lĩnh vực công nghệ sinh học mới nổi ban đầu được phát triển cho sức khỏe con người đã xuất hiện.

Bằng cách sử dụng thực khuẩn, các nhà nghiên cứu đã tìm cách giảm ô nhiễm do xử lý nước thải từ sản xuất dầu đá phiến. Chúng tôi đã thảo luận chi tiết về cách thức hoạt động của nó trong “Thực khuẩn thể có thể làm giảm tác hại do Fracking gây ra, một thực tiễn gây chia rẽ khét tiếng".

Hồi sinh các loài đã chết

Ô nhiễm nhựa hay biến đổi khí hậu không phải là tác động tiêu cực duy nhất từ ​​hoạt động của con người. Nhiều loài có nguy cơ tuyệt chủng hoặc đã bị tiêu diệt từ nhiều thế kỷ hoặc thiên niên kỷ trước.

Trong "Những nỗ lực bảo tồn được tăng cường nhờ những tiến bộ trong công nghệ sinh học – Tê giác trắng mới nhất được hưởng lợi”, chúng tôi đã xem xét những tiến bộ mới nhất trong nhân giống nhân tạo và kỹ thuật di truyền có thể cứu những loài có nguy cơ tuyệt chủng như tê giác trắng và thậm chí có thể hồi sinh những loài như voi ma mút lông cừu.

Nguồn: Đại qui mô

Lưu trữ dữ liệu DNA

Một phân khúc mới đầy bất ngờ của công nghệ sinh học có thể là lưu trữ dữ liệu, một lĩnh vực cho đến nay vẫn được dành riêng cho chất bán dẫn. Tuy nhiên, DNA thực sự là một môi trường thông tin cực kỳ dày đặc, với mật độ thông tin DNA là 1.47 terabit/mm2 hoặc 950 terabit/in2, hay gấp hơn 800 lần mật độ của ổ cứng HDD.

Nó cũng có thể có ưu điểm độc đáo là ổn định trong thời gian rất dài mà không cần vật liệu đắt tiền hoặc gây ô nhiễm. Lưu trữ cũng không cần năng lượng.

Việc giảm chi phí và cải thiện độ chính xác của quá trình tổng hợp DNA tổng hợp hiện nay giúp việc lưu trữ DNA chất lượng cao trở nên khả thi.

Một vấn đề là việc đọc tài liệu phức tạp hơn đáng kể so với dữ liệu được ghi trên chất nền bán dẫn. Vì vậy, rất có thể việc lưu trữ DNA sẽ chỉ giới hạn ở dữ liệu lưu trữ và các dữ liệu khác không được tham khảo thường xuyên trong tương lai gần.

Liên minh lưu trữ dữ liệu DNA được thành lập gần đây và bao gồm công ty tổng hợp DNA Khoa học sinh học xoắn, công ty giải trình tự gen Illumina, công ty lưu trữ dữ liệu Tây Digital, Microsoft, Lenovo, và nhiều người khác.

Các công ty công nghệ sinh học phi dược phẩm

1. Ginkgo Biowork

Công ty đang sản xuất các sinh vật theo yêu cầu cho các ứng dụng cụ thể. Chúng bao gồm các ứng dụng y sinh và nhiều chương trình khoa học vật liệu và công nghiệp.

Gingko chính xác là loại hình công ty mà các tập đoàn công nghiệp lớn có thể hướng tới để chế tạo một loại men tùy chỉnh dành riêng cho sản xuất nhiên liệu sinh học. Điều tương tự cũng đúng đối với các hóa chất phức tạp có giá trị hoặc các phương pháp khử ô nhiễm.

Ginkgo Biowork đã đa dạng hóa ứng dụng rộng rãi với nhiều chương trình nghiên cứu và hợp tác:

• Cannabinoids
• sản xuất vắc xin mRNA và thuốc axit nucleic
• Protein thực phẩm
• Sản xuất phân bón sinh học hợp tác với Bayer
• Lập trình vi khuẩn cho bệnh đường ruột
• Xử lý sinh học vi mô
• An toàn sinh học và phát hiện mầm bệnh
• Tái chế chất thải và chất gây ô nhiễm

Nó kiếm tiền bằng cách trả trước đầu tiên cho quá trình phát triển và sau đó thông qua tiền bản quyền cho sản phẩm hoàn chỉnh.

Quan hệ đối tác của Gingko không ngừng mở rộng, với:

• Mối quan hệ hợp tác ngày càng phát triển với Novo Nordisk.
• Ahợp tác với công ty thương mại Nhật Bản Sojitz Corporation.
• DARPA tài trợ cho các protein mới để kiểm soát băng trong môi trường thời tiết cực lạnh.
• Giao dịch trị giá 331 triệu USD với Pfizer.
• Thỏa thuận trị giá 490 triệu USD với Merck để tối ưu hóa hoạt động sản xuất sinh học.
• Thỏa thuận trị giá 406 triệu USD với Boehringer Ingelheim cho các mục tiêu không thể cưỡng lại được.

Ginkgo Biowork cũng hợp tác với tất cả các tập đoàn nông nghiệp lớn, hầu hết đều quan tâm đến sản xuất nhiên liệu sinh học và vi sinh. Một vài trong số này bao gồm Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta, v.v.

Nguồn: Gingko Biowork

2.  Khoa học cây trồng Bayer  (VỊNH)

Bayer Crop Science, một phần của Bayer Global (cũng là một công ty dược phẩm), tập trung vào những đổi mới về hạt giống, tính trạng và bảo vệ cây trồng.

Những đổi mới của Bayer đã giúp các nhà khoa học công nghệ sinh học thực hiện những cải tiến có mục tiêu trong DNA thực vật.

Kể từ khi sáp nhập với Monsanto, công ty này cũng là công ty dẫn đầu về cây trồng biến đổi gen và quản lý cỏ dại. Việc sáp nhập này đi kèm với vấn đề về các vụ kiện RoundUp rất tốn kém, khiến cổ phiếu của công ty sụt giảm trong những năm sau khi sáp nhập.

Nó kiểm soát hầu hết thị trường hạt giống GMO truyền thống và cũng đang nghiên cứu sử dụng CRISPR cho thế hệ hạt giống tiếp theo cho ngô, đậu tương, lúa mì, v.v.

Theo Bayer, lợi ích bảo vệ cây trồng là rất lớn. Cơ chế bảo vệ mùa màng bảo vệ khoảng 30% sản lượng nông nghiệp trên toàn thế giới, tương đương với 550 triệu tấn lương thực có thể nuôi sống hơn 2 tỷ người.

Nguồn: Bavarian

Bayer đang chuyển từ GMO truyền thống thông qua quan hệ đối tác với Gingko Biowork (DNA), một trong những công ty sinh học tổng hợp lớn nhất. Sự hợp tác này tập trung vào việc phát triển các lựa chọn thay thế sinh học cho phân bón hóa học thông qua chỉnh sửa gen của vi sinh vật.

Đây là công ty dẫn đầu về giống hạt giống và chỉnh sửa gen ở thực vật, với hơn 500 giống cây trồng mới đang được triển khai (và 250 đăng ký cây trồng mới vào năm 2022).

Công ty cũng là công ty đi đầu trong việc tích hợp công nghệ vào nông nghiệp. Ví dụ, Bayer ký kết hợp tác với Microsoft để kết hợp hệ thống quản lý dữ liệu Azur của gã khổng lồ công nghệ với chuyên môn của Bayer trong việc sử dụng dữ liệu từ vệ tinh, cảm biến hiện trường, máy bay không người lái, thiết bị hiện trường và cảm biến đất để tạo ra các trang trại thực sự hiện đại và kết nối.

Nguồn: Bavarian

Nhờ đi đầu trong lĩnh vực GMO (chỉnh sửa gen truyền thống và nâng cao), lựa chọn giống cây trồng và tích hợp dữ liệu lớn vào nông nghiệp, Bayer sẽ là ứng cử viên đương nhiên đồng hành cùng quá trình tạo ra các loại cây trồng thuần hóa de novo, cũng như khả năng phát hiện cỏ dại siêu phổ bằng robot nông nghiệp.