U schyłku swojego życia Steve Jobs, powiedział ponoć, że „największe innowacje XXI wieku będą efektem połączenia biologii i technologii”. Być może i tym razem wizje założyciela Apple okażą się trafne. W momencie, gdy jedyną realistyczną szansą na osiągnięcie neutralności klimatycznej w rozsądnym terminie jest radykalny postęp technologiczny, perspektywy oferowane przez biotechnologię są bardzo obiecujące. Być może najlepszą metodą leczenia zniszczonej przez człowieka natury jest właśnie wykorzystanie sił natury. Jak podaje McKinsey w swoim raporcie pt. „The Bio Revolution” do 2040 roku do 60% fizycznych nakładów w gospodarce może być wytwarzanych za pomocą mechanizmów biologicznych, co przekłada się na transformację branż o wartości 2-4 bn dolarów.
Podejściem, które na to pozwala jest m.in. biologia syntetyczna, która wykorzystuje osiągnięcia biologii molekularnej i inżynierii celem projektowania i tworzenia sztucznych organizmów i systemów biologicznych o zaprogramowanych funkcjonalnościach. Inspiracje dla takiego podejścia pochodzą z nauk informatycznych – skoro DNA jest swoistym kodem leżącym u podstaw funkcjonowania żywych organizmów – tylko że zamiast binarnej, cyfrowej postaci składa się z 4 rodzajów chemicznych elementów (nukleotyd) to zapewne można je programować dla wykonywania określonych zadań dokładnie tak jak się programuje komputer. Oczywiście analogia ta ma swoje poważne ograniczenia, gdyż sekwencje kodu DNA organizmów funkcjonujących w przyrodzie nie zostały wymyślone przez człowieka, lecz powstawały przez miliony lat w drodze ewolucji. Naukowcy zajmujący się tą dziedziną występują trochę jak osoby uczące się metodą prób i błędów obcego języka, do którego nikt jeszcze nie napisał kompletnego podręcznika i słownika…
W sukurs rozwojowi biologii syntetycznej przyszła jednak informatyka oraz automatyka. Nie tylko bowiem urządzenia do sekwencjonowania i syntetyzowania DNA są coraz mniejsze i tańsze. Projektowanie sztucznych fragmentów DNA kodujących wymaganą funkcjonalność organizmu odbywa się za pomocą narzędzi informatycznych i sztucznej inteligencji. Z kolei budowanie kolejnych wersji sztucznych organizmów na potrzeby testów odbywa się z wykorzystaniem najnowszej automatyki/robotyki radykalnie przyspieszającej prace laboratoryjne. Wiodąca horyzontalna platforma dla syntetycznej biologii prowadzona przez bostońską spółkę Ginkgo Bioworks co roku projektuje i tworzy 3 razy więcej nowatorskich łańcuchów DNA za połowę zeszłorocznej ceny. Proces ten przypomina więc tzw. prawo Moora odnoszące się do mikroprocesorów, odpowiedzialne za podwajanie co dwa lata szybkości i możliwości komputerów, a w konsekwencji także za cyfrową rewolucję minionych dekad.
Wydaje się, że biologia syntetyczna jako sektor gospodarki raczej kończy już okres dziecięcej niedojrzałości. Jakiś czasu temu biznesowi pionierzy tego sektora niesieni falą ekscytacji próbowali testować nadmiernie ambitne projekty i np. konkurować z petrochemią w zakresie produkcji plastików. Skutek był taki, że najczęściej kończyły im się pieniądze zanim zdołali osiągnąć skalę pozwalającą na rentowność. Nowe pokolenie przedsiębiorców z reguły sięga po dojrzalsze modele biznesowe szukając wysokomarżowych nisz – np. kanadyjski Cronos wytwarza m.in. syntetyczny olejek CBD za pomocą zmodyfikowanych genetycznie drożdży. Allonnia z kolei wykorzystuje bakterie celem ekonomicznie efektywnego oczyszczania wody z chemicznych zanieczyszczeń (PFAS) generowanych przez przemysł i kopalnie.
Moja ulubiona spółka w całej branży – Ginkgo Bioworks – stworzyła z kolei horyzontalną platformę projektowania i budowania syntetycznym organizmów, która oferuje swoje specjalistyczne oprogramowanie i automatykę laboratoryjną dla wielu spółek z sektora. Próbuje więc odegrać rolę podobną do tej, którą odegrał Amazon Web Services (a potem inni dostawcy usług chmurowych) w stosunku do sektora informatycznego, który co do zasady zwolniony został z konieczności budowania własnych serwerowni. Na tej samej zasadzie spółki biotechnologiczne nie muszą już inwestować milionów w oprzyrządowanie laboratorium na potrzeby prac badawczo-rozwojowych a proces projektowania i wypracowania syntetycznego organizmu mogą zlecić Ginkgo Bioworks. Klienci tej spółki, obok opracowania samej koncepcji produktu biologicznego, mogą się natomiast skoncentrować na skalowaniu produkcji oraz zbudowaniu mechanizmów jego sprzedaży.
Ogromna rzesza przedsięwzięć z sektora biologii syntetycznej szuka swojej szansy w ramach procesu dekarbonizacji gospodarki. Spółka Lanzatech opracowała syntetyczne bakterie, które żywią się tlenkiem oraz dwutlenkiem węgla i produkują (bio)paliwa lotnicze (precyzyjnie: etanol podlegający dalszemu przetwarzaniu). Zasadniczą misją tej spółki jest wykorzystywanie związków węgla, które już zostały wydobyte i znajdują się w obiegu w postaci różnego rodzaju śmieci i odpadów (w tym CO i CO2) poprzez ich przetwarzanie za pomocą syntetycznych mikroorganizmów w alternatywne paliwa i chemikalia.
Z kolei Bayer wspólnie z Ginkgo Bioworks pracują nad wykorzystaniem na szeroką skalę bakterii w procesie wiązania azotu atmosferycznego na potrzeby upraw rolnych. W naturze tego typu bakterie współpracują przede wszystkim z roślinami motylkowymi. Celem wspomnianych spółek jest opracowanie bakterii wiążących azot na potrzeby upraw zbóż, kukurydzy czy ryżu, dzięki czemu możliwe będzie ograniczenie wykorzystania w rolnictwie nawozów azotowych. Produkcja nawozów azotowych generuje dziś jakieś 3% gazów cieplarnianych, gdyż zasadniczo opiera się na ponad stuletniej technologii Habera-Boscha zakładającej wykorzystaniu ogromnych ilości gazu ziemnego. Syntetyzowanie amoniaku tą metodą odpowiada za zużycie ok. 3-5% gazu ziemnego na świecie i dlatego aktualne działania putinowskiej Rosji muszą prowadzić do wzrostu cen żywności i głodu na świecie. Warto wspomnieć, że praktycznie nie ma możliwości wyżywienia blisko 8 miliardów ludzi na Ziemi bez wspomagania wzrostu roślin za pomocą dużych ilości azotu. Jeśli nie chcemy w tym celu wykorzystywać dużych ilości gazu ziemnego musimy szukać pomocy m.in. ze strony odpowiednio zmodyfikowanych bakterii.
Oczywiście rola syntetycznej biologii w ramach rolnictwa nie kończy się na poszukiwaniach alternatyw dla nawozów. Warto wspomnieć także o projektowaniu nowych gatunków roślin odpornych na długotrwałą suszę lub okresowe powodzie. Inżynieria genetyczna roślin uprawnych jest chyba jedyną nadzieją dla rolnictwa Subsaharyjskiej Afryki. Plony w tym regionie już dziś należą do najniższych na świecie (1.5 t./ha) co zmusza tamtejsze kraje do importowania ponad 70% zbóż. Szacuje się, że na skutek zmian klimatycznych plony w tej bardzo zaludnionej części świata będą dalej spadać. Stanie się to m.in. za sprawą kukurydzy, która stanowi 30% upraw w tym regionie Afryki, a jednocześnie jest nadzwyczaj wrażliwa na okresy bardzo wysokiej temperatury (więcej tutaj). Warto dodać, że regiony Afryki najbardziej narażone na skutki ocieplenia klimatu zamieszkiwane są przez prawie 1 mld ludzi i zarazem charakteryzują się najwyższym na świecie przyrostem naturalnym…
Jednym z głównych źródeł emisji gazów cieplarnianych jest hodowla zwierząt. Sama branża hodowli bydła na potrzeby produkcji mleka i mięsa odpowiada za ponad 5% globalnej emisji tych gazów. Patrząc na rozwój dziesiątek spółek z sektora foodtech można jednak zaryzykować tezę, że rola hodowli zwierząt dla celów spożywczych będzie stopniowo malała. Proces ten będzie odbywał się dwutorowo. Z jednej strony poprzez wykorzystanie odpowiednio modyfikowanych grzybów lub roślin dla produkcji białka, a z drugiej poprzez laboratoryjną produkcję mięsa (cultivated meat). Spółka Impossiblefoods produkuje „krwiste” roślinne burgery dzięki syntetycznie wytworzonej leghemoglobinie nadającej im mięsny i krwisty smak. Co najważniejsze, część konsumentów jest skłonna płacić za te roślinne burgery więcej niż za te tradycyjne (mięsne). Z kolei Nobellfoods wytwarza mleko roślinne smakujące podobnie do krowiego by następnie produkować z niego roślinne sery. Osiąga to dzięki syntetycznie wytworzonym proteinom odpowiedzialnym w naturze za smak mleka krowiego. Sery od Nobellfoods zapewne na początku nie będą konkurowały o gusta smakoszy tradycyjnych, francuskich serów, ale raczej będą szukać rentownego miejsca w łańcuchu dostaw dla producentów mrożonej pizzy czy innych masowych produktów spożywczych. Z kolei Evofoods wytwarza roślinną substancję z powodzeniem zastępującą kurze jaja. Przy czym nie chodzi o to by odmówić konsumentom radości normalnego jajka na Wielkanoc, lecz raczej znaleźć miejsce w łańcuchu dostaw dla przemysłowych producentów makaronów i ciast. Proces odchodzenia od białka pozyskiwanego z hodowli zwierząt nie sprawi, że ono nagle zniknie z rynku, lecz raczej – z biegiem czasu i stopniowo – stanie się luksusowym rarytasem niczym sarnina dla amatorów dziczyzny i polowań.
Biologia syntetyczna – jak każda technologia o dużym potencjale – niesie za sobą poważne ryzyka. Nadzór ze strony państw nad produktami dopuszczanymi na rynek oraz poważna publiczna refleksja etyczna nad każdym kolejnym innowacyjnym produktem jest tutaj warunkiem koniecznym rozwoju całej branży. Broniąc się przed zagrożeniami ze strony biologii syntetycznej warto jednak nie wylewać dziecka z kąpielą poprzez regulacje całkowicie blokujące innowacyjność – jak to ma miejsce niekiedy w Europie. Dążąc do dekarbonizacji produkcji żywności na masową skalę powrót do „ekologicznego”, a więc tradycyjnego rolnictwa na małą skalę, niestety nie jest żadnym rozwiązaniem. Wspaniałe ekologiczne produkty małych gospodarstw rolnych są raczej luksusowymi produktami dla zamożniejszych konsumentów niż sposobem na wykarmienie liczącej prawie 8 mld ludzkości. Warto pamiętać, że z dobrodziejstw syntetycznej biologii korzystamy od dekad w ramach branży farmaceutycznej, gdzie istotna część (ok. 32%) produktów obejmuje leki biologiczne. Jednym z pionierów całej branży był przecież Genentech, który już w 1978 opracował metodę syntetyzowania insuliny dla cukrzyków dzięki czemu nie musimy jej pozyskiwać z trzustek zabijanych zwierząt hodowlanych.
Parafrazując słynną frazę Marka Andreessena (a16z) z 2011 r, który metaforycznie opisywał cyfrową rewolucję za pomocą powiedzenia „software is eating the world”, można zaryzykować twierdzenie, że ludzkość powoli i z oporami wkracza w epokę decarbonisaton is eating the world. Wszystko co można zdekarbonizować zostanie zdekarbonizowane, bo prędzej czy później zmiany klimatyczne nas do tego zmuszą. Jestem przekonany, że biologia syntetyczna będzie jednym z kluczowych kół zamachowych tego procesu.
Fot: „Seahorse Biology and Facts,” by moonjazz is licensed under CC BY-ND 2.0.