La plupart des sciences de l'environnement se concentrent sur la façon de revenir en arrière, ne pas le pousser en avant, dit Ben Bostick, géochimiste à l'Observatoire de la Terre de Lamont-Doherty. « Nous réfléchissons à la façon dont nous pouvons réduire notre empreinte, et pas tellement sur la façon dont nous pouvons augmenter notre empreinte de manière positive, " a-t-il dit. "Mais il existe de nombreux exemples de biologie synthétique qui, je pense, ont en fait beaucoup de potentiel dans l'environnement. Pensez à la façon dont nous pouvons aider notre environnement simplement en faisant des choses comme améliorer les matériaux que nous fabriquons en utilisant la biologie synthétique. »

La biologie synthétique (synbio) est la construction de composants biologiques, comme les enzymes et les cellules, ou des fonctions et des organismes qui n'existent pas dans la nature, ou leur refonte pour remplir de nouvelles fonctions. Les biologistes synthétiques identifient des séquences de gènes qui donnent aux organismes certains traits, les créer chimiquement en laboratoire, puis les insérer dans d'autres micro-organismes, comme E. coli, afin qu'ils produisent les protéines désirées, caractéristiques ou fonctions.

Depuis 2011, quand j'ai écrit une introduction générale à synbio, le domaine s'est développé rapidement.

L'une des raisons en est le développement de l'outil d'édition de gènes CRISPR-Cas9, utilisé pour la première fois en 2013, qui localise, coupe et remplace l'ADN à des endroits spécifiques. Une autre raison est à quel point il est devenu facile d'utiliser le Registre des pièces biologiques standard, qui catalogue plus de 20, 000 pièces génétiques ou BioBricks pouvant être commandées et utilisées pour créer de nouveaux organismes ou systèmes synthétiques.

En 2018, les investisseurs ont versé 3,8 milliards de dollars et les gouvernements du monde entier ont investi 50 millions de dollars dans des sociétés synbio. D'ici 2022, le marché mondial des applications synbio devrait atteindre 13,9 milliards de dollars. Mais la biologie synthétique est encore controversée car elle implique de modifier la nature et son potentiel et ses risques ne sont pas complètement compris.

Bostick, qui travaille à l'assainissement de la contamination par l'arsenic des eaux souterraines en stimulant les bactéries naturelles pour produire des substances auxquelles l'arsenic adhère, expliqué que, En réalité, toute la communauté biologique qui travaille sur les organismes modifie en permanence les systèmes biologiques, mais ne changez pas le matériel génétique ou les organismes. Les scientifiques suppriment les enzymes, insérer de nouveaux, et changer différentes choses afin de comprendre le monde naturel "Ce sont des techniques standard maintenant, mais elles sont faites de manière mécanique, " dit-il. " Si vous voulez voir comment fonctionne une protéine, que fais-tu? En fait, vous le changez—c'est exactement la façon dont nous avons étudié notre environnement. Ils sont synthétiques et ce sont des altérations biologiques, mais ils ne sont tout simplement pas faits dans le but qui définit la biologie synthétique. » Synbio est plus controversé car son but est de construire des systèmes biologiques artificiels qui n'existent pas déjà dans le monde naturel.

Néanmoins, la biologie synthétique produit des solutions potentielles à nos problèmes environnementaux les plus insolubles. Voici quelques exemples.

Faire face à la pollution

Les microbes ont été utilisés pour détecter, identifier et quantifier les polluants environnementaux depuis des décennies. Désormais, les biocapteurs microbiens synthétisés sont capables de cibler des toxines spécifiques telles que l'arsenic, cadmium, Mercure, azote, ammonium, nitrate, phosphore et métaux lourds, et répondre de diverses manières. Ils peuvent être conçus pour générer un produit électrochimique, thermique, signal acoustique ou bioluminescent lors de la rencontre avec le polluant désigné.

Certains microbes peuvent décontaminer naturellement le sol ou l'eau. La synthèse de certaines protéines et leur transfert à ces bactéries peuvent améliorer leur capacité à se lier ou à dégrader les métaux lourds ou les radionucléides. Une bactérie du sol a reçu de nouveaux circuits réglementaires qui l'obligent à consommer des produits chimiques industriels comme nourriture. Des chercheurs écossais élaborent des bactéries pour convertir les métaux lourds en nanoparticules métalliques, qui sont utilisés en médecine, l'industrie et les carburants.

CustoMem au Royaume-Uni utilise la biologie synthétique pour créer un matériau granulaire qui attire et adhère aux micropolluants tels que les pesticides, médicaments, et certains produits chimiques dans les eaux usées. Et des chercheurs australiens tentent de créer une structure multicellulaire qu'ils appellent une « méduse synthétique » qui pourrait être libérée après un déversement toxique pour décomposer les contaminants.

Préserver la biodiversité

Les châtaigniers américains ont dominé la côte est des États-Unis jusqu'en 1876, quand un champignon transporté sur des graines de châtaignes importées les a dévastées, laissant moins d'un pour cent d'ici 1950. Pour faire des arbres résistants au mildiou, des scientifiques ont inséré un gène de blé dans des embryons de châtaignier, leur permettant de fabriquer une enzyme qui détoxifie le champignon. Ce châtaignier est susceptible de devenir le premier organisme génétiquement modifié à être relâché dans la nature une fois approuvé par le ministère de l'Agriculture, la Food and Drug Administration (FDA) et l'Environmental Protection Agency (EPA).

Raviver &Restaurer, une organisation qui utilise des techniques génétiques pour préserver la biodiversité, tente de sauver le putois d'Amérique en voie de disparition, qui est sensible à la peste sylvatique. Parce que le furet domestique ne l'est pas, les scientifiques étudient la possibilité de trouver les gènes qui confèrent au furet domestique une résistance et de les modifier dans le génome du putois d'Amérique. La recherche commencera par des cultures cellulaires en laboratoire.

Les forçages génétiques sont des mécanismes qui propagent un trait génétique souhaité à travers une population pour contrôler les espèces envahissantes. Un forçage génétique a récemment été envisagé pour contrôler la moule dorée, qui a envahi les eaux sud-américaines et latino-américaines. Après avoir identifié les gènes liés à la reproduction et à l'infertilité chez les moules dorées, les scientifiques ont proposé d'utiliser CRISPR-Cas9 pour modifier le génome de la moule afin de rendre les femelles infertiles. Les moules génétiquement modifiées seraient ensuite élevées avec des moules sauvages en laboratoire, créer des embryons modifiés qui pourraient être relâchés dans la nature pour propager l'infertilité dans toute la population. Un forçage génétique pour éliminer les moustiques porteurs du paludisme a fonctionné en laboratoire, mais aucun forçage génétique n'a encore été essayé sur le terrain.

Certains scientifiques travaillent également à modifier les génomes des coraux pour leur donner plus de résistance au réchauffement des températures océaniques, la pollution et l'acidification des océans. D'autres ont proposé de modifier les gènes des cyanobactéries qui affectent l'humidité dans la croûte du sol des écosystèmes semi-désertiques afin que le sol retienne plus d'eau et que plus de végétation puisse pousser.

Nourrir le monde

Avec une population mondiale estimée à 10 milliards d'ici 2050, la demande mondiale de nourriture pourrait augmenter de 59 à 98 pour cent. Impacts du changement climatique — températures plus élevées, conditions météorologiques extrêmes, la sécheresse, les niveaux croissants de dioxyde de carbone et l'élévation du niveau de la mer mettent en péril la quantité et la qualité de nos approvisionnements alimentaires.

Améliorer l'agriculture

Des chercheurs de l'Université de Californie, San Diego a découvert que lorsque les plantes rencontrent des conditions sèches, ils libèrent une hormone qui ferme les pores de la plante afin de retenir l'eau, ralentit sa croissance et maintient les graines en dormance. Cette hormone est coûteuse à synthétiser, cependant, les scientifiques ont donc travaillé avec des récepteurs développés synthétiquement dans des plants de tomates qui ont répondu de manière similaire à un fongicide couramment utilisé en termes de conservation de l'eau, rendre les plantes plus résistantes à la sécheresse.

Les scientifiques du Salk Institute ont identifié les gènes qui encouragent le système racinaire d'une plante à pousser plus profondément dans le sol. Ils prévoient de concevoir des voies génétiques pour provoquer des racines plus profondes, qui permettra aux plantes cultivées de résister au stress, séquestrer plus de carbone et enrichir le sol.

Les microbes qui vivent avec les légumineuses leur donnent la capacité de convertir l'azote de l'atmosphère en nutriments dont la plante a besoin pour se développer. Cependant, car les autres plantes ne peuvent pas assimiler naturellement l'azote, les agriculteurs ont traditionnellement utilisé des engrais chimiques. La production d'engrais, fabriqués principalement à partir de combustibles fossiles, entraîne des émissions de gaz à effet de serre et l'eutrophisation. Comme alternative, Bio pivot, une entreprise californienne, a conçu les gènes d'un microbe qui vit sur les racines du maïs, des plants de blé et de riz pour permettre au microbe d'extraire l'azote de l'air et de le nourrir à une plante en échange de nutriments. Lors d'essais sur le terrain, son microbe producteur d'azote pour le maïs a donné 7,7 boisseaux par acre de plus que les champs fertilisés chimiquement.

Nouveaux aliments

Agriculture, y compris l'élevage du bétail, est responsable d'environ 8 % des émissions de gaz à effet de serre des États-Unis. Des microbes génétiquement modifiés sont utilisés pour produire des aliments plus durables, éthique et potentiellement plus sain. Motif Ingredients développe des ingrédients protéiques alternatifs sans agriculture animale. Il utilise des microbes conçus pour produire des protéines alimentaires qui peuvent être adaptées pour imiter des saveurs ou des textures similaires à celles trouvées dans le bœuf et les produits laitiers.

Le burger à base de plantes d'Impossible Foods contient de l'hème synthétisé, la molécule contenant du fer trouvée dans les animaux et les plantes qui donne à la viande sa saveur sanglante. Pour le faire, les scientifiques ont ajouté un gène végétal à la levure, lequel, après fermentation, produit de grandes quantités de protéine hème. Impossible Burger utilise 75 % moins d'eau et 95 % moins de terre qu'un burger de bœuf ordinaire, et produit 87 pour cent moins d'émissions de gaz à effet de serre.

Alors que la demande de fruits de mer augmente à l'échelle mondiale (les stocks de pêche sont déjà surexploités à 90 pour cent), le besoin de farine de poisson aussi, les boulettes de protéines composées de petits poissons broyés et de céréales qui nourrissent les poissons d'élevage ainsi que le bétail. NovoNutrients, basé en Californie, utilise du CO 2 des émissions industrielles pour nourrir les bactéries créées en laboratoire, qui produisent ensuite des protéines similaires aux acides aminés que les poissons obtiennent en mangeant des poissons plus petits; les bactéries remplacent la farine de poisson, fournir au poisson des protéines et d'autres nutriments.

Créer des produits plus verts

Carburants

La combustion de combustibles fossiles pour l'énergie représentait 94 pour cent du total du CO anthropique des États-Unis 2 émissions en 2016, donc beaucoup de recherches visent à créer de meilleurs biocarburants qui ne concurrencent pas la production alimentaire, éléments nutritifs du sol ou de l'espace. La dernière génération de biocarburants se concentre sur les microalgues modifiées, qui ont une teneur élevée en graisses et en glucides, croissent rapidement et sont relativement robustes. La modification de leurs voies métaboliques leur permet de réaliser plus efficacement la photosynthèse, produire plus de pétrole, absorber plus de carbone, et être plus robustes afin que leur nombre puisse être augmenté.

LanzaTech dans l'Illinois a identifié un organisme qui fabrique naturellement de l'éthanol à partir de gaz résiduaires industriels. Après que l'entreprise l'ait conçu avec des « voies » d'autres organismes pour améliorer ses performances, l'organisme est capable de produire des molécules uniques pour des produits chimiques et des carburants précieux. LanzaTech's first commercial plant in China has produced over seven million gallons of ethanol from steel mill emissions that can be converted into jet fuel and other products.

Materials

165 million tons of plastic have trashed the oceans, with almost 9 million more tons being added each year. Synbio could provide a solution to this pollution problem, both by degrading plastic and replacing it.

En 2016, researchers in Japan identified two enzymes in a bacterium that enable it to feed on and degrade PET plastic, the kind used for water bottles and food containers. Depuis, researchers around the world have been analyzing how the enzymes break down the plastic and trying to improve their ability to do so.

California-based Newlight Technologies is using a specially developed microorganism-based biocatalyst (similar to an enzyme) to turn waste gas captured from air into a bioplastic. The biocatalyst pulls carbon out of methane or carbon dioxide from farms, water treatment plants, décharges, or energy facilities, then combines it with hydrogen and oxygen to synthesize a biopolymer material. The biopolymer, called AirCarbon, can replace plastic in furniture and packaging.

Lignin is a key component of plants that, like other types of biomass, could be used for renewable fuels and chemicals. Since very few bacteria and fungi can break it down naturally, scientists have been trying for years to develop an efficient way of doing so. Now some have engineered a naturally occurring enzyme to break it down, which could eventually make it possible to use lignin for nylon, bioplastics and even carbon fiber.

The manufacturing of complex electronic devices requires toxic, rare, and non-renewable substances, and generates over 50 million tons of e-waste each year. Simon Vecchioni, who recently defended his Ph.D. in biomedical engineering at Columbia University, is using synthetic biology to produce DNA nanowires and networks as an alternative to silicon device technology.

Vecchioni ordered synthesized DNA from a company, used it to create his own custom BioBrick—a circular piece of DNA—and inserted it into the bacterium E.coli, which created copies of the DNA. He then cut out a part of the DNA and inserted a silver ion into it, turning the DNA into a conductor of electricity. His next challenge is to turn the DNA nanowires into a network. The DNA nanowires may one day replace wires made of valuable metals such as gold, silver (which Vecchioni only uses at the atomic scale), platinum and iridium, and their ability to "self-assemble" could eliminate the use of the toxic processing chemicals used to etch silicon.

"A technology for fabricating nanoscale electrical circuits could transform the electronics industry. Bacteria are microscale factories, and DNA is a biodegradable material, " he said. "If we are successful, we can hope to produce clean, pas cher, renewable electronics for consumer use."

Building materials

The production of cement (a key ingredient of concrete) is responsible for about eight percent of global greenhouse gas emissions because of the energy needed to mine, transport and prepare the raw materials. bioMASON in North Carolina provides an alternative by placing sand in molds and injecting it with bacteria, which are then fed calcium ions in water. The ions create a calcium carbonate shell with the bacteria's cell walls, causing the particles to stick together. A brick grows in three to five days. bioMASON's bricks can be customized to glow in the dark, absorb pollution, or change color when wet.

Dressing more sustainably

Fast fashion has a disastrous impact on the environment because of its dyes and fabric finishes, fossil fuel use and microfiber pollution. About three-fourths of the water used for dyeing ends up as toxic wastewater, and over 60 percent of textiles are made from polyester and other fossil fuel-based fibers that shed microfibers when washed, polluting our waters.

French company Pili synthesizes enzymes that can be tailored to produce different colors, then integrates them into bacteria. The bacteria are then able to create pigments. Pili's dye is produced without petroleum products or chemicals, and uses one-fifth the water of regular dyes.

Spider silk, considered one of nature's strongest materials, is elastic, durable and soft. Bolt Threads, based in San Francisco, studied spider DNA to figure out what gives spider silk its special characteristics, then engineered genes accordingly and put them into yeast, lequel, after fermentation, produce large quantities of liquid silk proteins. The silk protein is then spun into fibers, which can be made into renewable Microsilk.

The risks of synbio

Aux Etats-Unis., synbio chemicals and pharmaceuticals are mainly regulated by the Toxic Substances Control Act of 1976. Other synbio commercial products and applications are regulated by the EPA, Department of Agriculture, and the FDA. But do these agencies have the capacity and effectiveness to monitor synthetic biology as fast as it's developing and changing?

As some syn bio applications are starting to move out of the lab, there are worries about its potential environmental risks. If an engineered organism, such as those used in gene drives, is released into nature, could it prove more successful than existing species in an ecosystem and spread unchecked?

Bostick noted that each synthetic biology project today is usually focused on one very specific modification. "It's adding or altering a single enzyme, possibly putting in a series of enzymes so that it can do one thing, " he said. "Very seldom do you tweak the rest of the organism, so it's not critical to the success of the organism and it's not likely to run rampant. From a scientific standpoint, it's hard to change more than one thing."

De plus, according to Vecchioni, most synbio research is being done by student groups through iGEM's International Genetically Engineered Machine Competition, and every iGEM project must have a safety component—some way to turn off the gene or regulate it if it gets out.

Another concern is that the creation or modification of organisms could be used to create a disease for the purpose of bioterrorism. Vecchioni explained that the FBI is on the lookout for this. "They walk in nicely and say 'hi, we're watching, '" he said. "They also go to conferences and just make sure people are being smart about it." He added that DNA synthesis companies are also on alert. "They have a library of known dangerous pieces of DNA, so if you try to order something that is known to create disease in any organism, the FBI will come knocking on your door."

A more recent concern is that research institutes have begun setting up biofoundries, facilities that rely heavily on automation and artificial intelligence (AI) to enhance and accelerate their biotechnology capabilities. Jim Thomas, co-executive director of the ETC Group, which monitors emerging technologies, is concerned about the tens of thousands of organisms that AI is being used to create. "It raises a real safety question because if you have something go wrong, you potentially don't understand why it went wrong, " said Thomas. "With AI it's a bit of a black box." He noted that most experts agree that there has to be a process for monitoring and assessing new developments in synbio.

Despite the potential risks of synbio, its potential benefits for the planet are huge. And as our environment is battered by the impacts of climate change and human activity, we need to explore all options. "We need every possible solution to even remotely get to the magnitude of change that we need to improve our world, " said Bostick.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de Earth Institute, Université de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.