پالایشگاه‌های زیستی، آینده زیست‌شناسی مصنوعی
مطالعه پیش‌رو، هشتمین مقاله از مجموعه مقالاتی است که توسط کارشناسان و متخصصان شرکت سرمایه‌گذاری مشاوره لی (Lee Enterprises Consulting) –به اختصار LEC- تهیه شده است. این مقاله در ابتدا، به ارائه تصویری ساده از تعاریف و مفهوم پالایشگاه زیستی می‌پردازد و با معرفی نیازمندی، فرصت و فناوری، وجه اشتراک میان آنها را محرک تغییر در تولید بیان می‌کند. هدف مطرح شده در این مطالعه، لزوم دگرگونی اساسی در زیست‌شناسی مصنوعی است و با تأیید تأثیرگذاری زیست‌شناسی مصنوعی بر پالایشگاه زیستی، در نهایت آینده زیست‌شناسی مصنوعی را، پالایشگاه زیستی می‌داند.
باب کودرزایکی (Kodrzycki Bob) یکی از اعضای شرکت سرمایه‌گذاری مشاوره لی، گروه برتر مشاوره اقتصاد زیستی با بیش از 100 مشاور و کارشناس حرفه‌ای در سراسر جهان است که در پروژه‌های بین رشته‌ای از جمله انواع مورد بحث در این مقاله همکاری می‌کنند. نظرات بیان شده در این مقاله نقل‌قولی از نویسندگان بوده و لزوماً دیدگاه‌های شرکت سرمایه‌گذاری مشاوره لی را بیان نمی‌کند. آقای کودرزایکی در سمینار 2018 ABLC در واشنگتن دی‌سی -28 فوریه تا 2 مارس- به‌عنوان سخنران مهمان، سخنرانی کرد.
تعاریف پیچیده است و آنها به تغییر همراه با زمان براساس شرایط، دورنما و فناوری تمایل دارند. به‌عنوان مثال پالایشگاه زیستی را در نظر بگیرید. در ساده‌ترین حالت، یک پالایشگاه زیستی ماده اولیه و خام زیست‌توده را توسط یک راکتور به محصولات متنوع تبدیل می‌کند.
احتمالاً بسیاری از ما با این موضوع موافق هستیم که امکانات و تشکیلات تبدیل نشاسته ذرت به اتانول، یک پالایشگاه زیستی است. همچنین، تغذیه یک کاربراتور با تراشه‌های چوب برای تولید گاز سنتزی و گرما یا حتی تولید سوکسینیک اسید توسط فرایند تخمیر در محدوده تعریف پالایشگاه زیستی قرار می‌گیرد.
چند مثال از انواع دیگر پالایشگاه‌های زیستی عبارت‌اند از: آتش هیمه، که چوب را توسط یک واکنش گرماشیمیایی به گرما، گازهای مختلف و زغال تبدیل می‌کند. یک توده کمپوست، که مخلوط زیست‌توده را با استفاده از عملکردی میکروبی به گرما، گازها و کود تبدیل می‌کند؛ و گاو که از طریق فرایندی یکپارچه، علف را به گوشت، متان، شیر و کود کشاورزی تبدیل می‌کند.
اما سؤال کلیدی، یافتن این پالایشگاه‌های زیستی است. نکته حائز اهمیت، مسیری است که پالایشگاه‌های زیستی در آن قرار دارند. روندی که تفکر ما را به چالش کشیده و در این زمینه بسط خواهد داد که آنها چه هستند، چه می‌کنند و چگونه کار می‌کنند. این مهم است که چگونه تجارت‌ها و سرمایه‌گذاران به موج بعدی سازندگی و سرمایه‌گذاری پالایشگاه‌های زیستی نزدیک می‌شوند.
محرک‌های تغییر
می‌توان استدلال کرد که محرک‌های تغییر در تولید، وجه اشتراک میان نیازمندی، فرصت و فناوری هستند. نیازمندی به‌عنوان یک محرک قادر است از قواعد زیست‌محیطی، تقاضای جمعیت‌های رو به رشد، فشار اجتماعی و سایر عوامل، متفاوت باشد. این محرک‌ها، با فرصت و فناوری ادغام شده و اغلب بستری برای نوآوری و ابداع ایجاد می‌کنند. از سوی دیگر، عاملی اصلی در دریافت تأمین مالی و جذب سرمایه‌گذار برای یک پروژه هستند. فرصت، مانند دسترسی به یک ماده اولیه جدید یا امکان ادغام فناوری‌ها، می‌تواند نتایج بسیار جالبی به همراه داشته باشد.
به‌طور معمول فناوری به تنهایی برای توسعه بازار کافی نیست. اما ترکیب ادغام شده آن با نیازمندی و فرصت قادر است جایگاه مناسب خود را یافته و منجر به یک تغییر اساسی و انقلابی در این زمینه شود. همان‌طور که در صفحات خلاصه سوخت‌های زیستی دیده‌ایم، پیشرفتهای اخیر در زمینه فناوری‌های مرتبط با ژن، به دنبال ایجاد تغییراتی اساسی در نحوه عملکرد و فعالیت پالایشگاه‌های زیستی هستند. این پیشرفت‌ها همچنین منجر به توسعه مقیاس و گستره تولید محصولاتی مبتنی بر پالایشگاه زیستی خواهند شد.
هدف ما، ایجاد یک انقلاب و دگرگونی اساسی در زیست‌شناسی مصنوعی
آغاز تحولات و انقلاب‌ها اغلب کوچک هستند اما نیروی حرکتی شگرفی ایجاد می‌کنند. به‌عنوان مثال، در مورد نحوه تأثیرگذاری تراشه‌های سیلیکون در پیشرفت زمینه‌های مختلفی نظیر محاسبات کامپیوتری، نرم‌افزاری و روندهای کنونی در علم رباتیک، هوش مصنوعی و موضوعات اینترنتی تفکر کنید.
ما در یک انقلاب ژنتیکی قرار داریم. زمینه‌ای که همچنان ادامه خواهد داشت و بر نحوه تولید مواد غذایی، سوخت‌ها، مواد شیمیایی و مواد تأثیرگذار است. به خاطر لزوم تأمین پایدار نیازهای اساسی و بنیادی زندگی جمعیت رو به رشد و منابع محدود، تغییرات اساسی از طریق تلاقی فرصت و فناوری رخ می‌دهد.
انقلاب ژنتیکی هنگامی آغاز شد که توانایی “برش و چسباندن DNA”، موسوم به DNA نوترکیب، در اوایل دهه 1970 اتفاق افتاد. این جرقه منجر به افزایش توانایی تجزیه و تحلیل ژنتیکی، همچنین ساخت مولکول‌های سفارشی و دست‌ساز DNA و مهندسی ژنتیک شد. نیم قرن تفکر خلاقانه در استفاده از توان پردازش و محاسبات، ما را به حالت کنونی زیست‌شناسی مصنوعی رسانده است. به همان شیوه که نرم‌افزارها و برنامه‌های کاربردی در هر بخش از زندگی ما درهم آمیخته‌اند، خواهیم دید که زیست‌شناسی نیز توسط زیست‌شناسی مصنوعی قادر به دگرگونی در تولید و کشاورزی خواهد بود.
زیست‌شناسی مصنوعی تلاقی از فناوری است که فراتر از ارگانیسم‌های اصلاح‌شده ژنتیکی (GMOs) پیشین است. توانایی ایجاد ویرایش‌های دقیق و صحیح در توالی DNA با استفاده از کریسپر (CRISPR) و شیوه‌های مربوطه همراه با تجزیه و تحلیل کامپیوتری پیچیده همانند فراگیری ماشینی هستند که می‌توانند جهت تکامل ژن مورد استفاده قرار گیرند. تکامل طبیعی، که در واقع انتخاب بهترین ژن‌های جهش یافته برای انجام وظایف ضروری هستند، بیش از میلیون‌ها سال طول می‌کشد.
زیست‌شناسی مصنوعی با استفاده از انواع روش‌های تغییر ژن و سرعت بخشیدن به این روند، امکان آزمایش و بررسی میلیون‌ها جهش در هفته‌ها و یا ماه‌ها را میسر می‌سازد. از آنجایی‌که این تغییرات در سیستمی بسته نظیر آنزیمی بهتر جهت تخمیر اتانول کاربردی است، این آنزیم‌های بهبود یافته قادر خواهند بود در ادامه برای سرعت بخشیدن به واکنش‌ها و یا گسترش قابلیت و کارآمدی مورد استفاده قرار گیرند.
اما زیست‌شناسی مصنوعی همچون طبیعت در خلأ زندگی نمی‌کند. ترکیب توانمندی مهندسی ژن‌ها با پیشرفتهای نانومواد، میکروب‌شناسی، دانش رباتیک و هوش مصنوعی و نتایج انقلابی و تحول‌آمیز واقعی، به‌راستی ناممکن نبوده و پیدایش یک پالایشگاه زیستی کاملاً متفاوت، محتمل است. در حال حاضر عملکرد کارآمد می‌تواند در مقیاس میکرو و یا حتی ایجاد عملکردهای پیچیده استفاده شود. دستگاه‌ها، از بافت‌های زنده، مجموعه آنزیم‌های ضروری، نانومواد و میکروسیالات (microfluidics) تحت کنترل سیستمی هوشمند تقلید خواهند کرد.
ادغام فناوری‌های استفاده شده در ایجاد پالایشگاه‌های زیستی جهت تولید گوشت خالص و فاقد چربی نظیر گوشت گاو، مرغ و غذاهای دریایی، مثالی مناسب در این زمینه است. پیچیدگی موجود در تولید این محصولات، نه تنها استفاده از طعمی دستکاری شده همانند گوشت حیوان در سلول‌های ماهیچه‌ای، بلکه به‌کارگیری چاپ سه‌بعدی جهت ساخت داربستی خوراکی بر روی این سلول‌ها است. در واقع سلول‌های گوشتی قادر به خودتجمعی برای ایجاد محصولی می‌شوند که در ظاهر بسیار شبیه به گوشت واقعی است.
بررسی واقعیت
آینده می‌تواند مسیری طولانی و دور و یا مسیری کوتاه و نزدیک نظیر همین فردا باشد. نگاه واقع‌بینانه به روندهای محتمل و زمان لازم میان کشف و توسعه یک محصول تجاری بسیار حائز اهمیت است. هیچ‌چیز جایگاه سرمایه‌گذاری شما را سریع‌تر از پیشنهاد بهبود فناوری پیشرفتهای، بدون نمایش چگونگی جهش و یا ورود به فرایند موجود، نابود نخواهد کرد. به یاد داشته باشید که حتی زیست‌شناسی مصنوعی نیز ملزم به سازگاری با سیستم‌های تولیدی موجود، زنجیره‌های تدارکاتی و مدیریت حمل و نقل است.
تأثیرگذاری زیست‌شناسی مصنوعی بر پالایشگاه زیستی
همه نمونه‌های ارائه شده در فهرست کوتاه زیر، براساس واقعیت کنونی ساخته شده و برخی از آنها از لحاظ تجاری ممکن و عملی هستند. تفکر در مورد نحوه پالایش در چند سال آینده تأثیرگذار خواهد بود -همانند تفاوت میان تلفن‌های همراه نسل اول و آنچه که ما اکنون از آن استفاده می‌کنیم- لذا جستجو جهت تنوع بیشتر، افزایش مقیاس و افزایش تخصص برای پیشرفت در این مسیر الزامی است.
جایگزینی فناوری ویرایش ژنی مانند کریسپر با مهندسی ژنتیک مرسوم (GMO) در آینده انجام خواهد گرفت که این امر منجر به:
– تصویب قوانین ساده‌تر برای گیاهان و میکروب‌های اصلاح شده
– توسعه سریع‌تر و ارزان‌تر مواد اولیه بهبود یافته
– میکروب‌های تخمیری سفارشی
– ساخت آنزیم‌های کارآمدتر و سریع‌تر
– طیف گسترده‌تری از محصولات پالایشگاه زیستی
– تولید مواد شیمیایی بسیار ارزشمند در مقیاس کوچک، خواهد شد.
غربالگری مولکولی، توالی DNA و دستگاه یادگیری نرم‌افزار در سیستم‌های شناسایی محصولات زیست‌بنیان -جایگزین مواد شیمیایی مصنوعی- ادغام خواهند شد که منجر به:
– مواد شیمیایی ترشح شده از میکروب‌ها
– چرخه سریع‌تر برای توسعه محصول جدید
– مخلوط میکروب‌ها در مجاری راکتور
– کاربرد مستقیم میکروب‌ها در زمینه محصولات زراعی و غلات، می‌شود.
چاپ سه‌بعدی و ادغام میکروسیالات در پالایشگاه‌های زیستی محتمل خواهد بود که سبب:
– مولکول‌های زنجیره‌ای و شاخه‌ای بلند
– واکنش‌های پیشرفته
– تشکیل ساختارهای پیچیده، خواهند شد.
این فهرست ادامه خواهد یافت، امکانات بی‌انتها و زمانی به حد کفایت طولانی در اختیار است. اما موضوع حائز اهمیت در این زمینه، توجه به این نکته کلیدی است که در واقع پالایشگاه زیستی آینده، تکامل گام به گام پالایشگاه زیستی فعلی خواهد بود و سرعت کشف و پیاده‌سازی آن توسط تغییرات اساسی و دگرگونی‌های زیست‌شناسی مصنوعی فراهم خواهد شد.
