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¿Podrían las granjas de cianobacterias ayudar a diluir los contaminantes en la atmósfera?

¿Podrían las granjas de cianobacterias ayudar a diluir los contaminantes en la atmósfera?


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Si entiendo correctamente, hace aproximadamente ~ 2.800 millones de años, las cianobacterias comenzaron a bombear grandes cantidades de oxígeno a la atmósfera.

Utilizando procesos industriales modernos, ¿se podría emular esto haciendo granjas de cianobacterias para ayudar a frenar el problema climático?

También leí en alguna parte que alguien pudo genéticamente (o por otros medios) desactivar la capacidad de una bacteria específica para reproducirse, haciendo que produzca un subproducto de manera mucho más eficiente. ¿Podría esto ayudar también a estas "granjas"?

Alternativamente, ¿podríamos despojar genéticamente a las bacterias de todas las demás funciones que no sean la procreación y la fotosíntesis? Hacer que esta bacteria viva en una "burbuja" significaría que no necesitaría muchos mecanismos de defensa. Esto podría producir una bacteria de un solo propósito que sería súper eficiente para realizar esta única tarea.


Tiene varias preguntas aquí.

Si entiendo correctamente, hace aproximadamente ~ 2.800 millones de años, las cianobacterias comenzaron a bombear grandes cantidades de oxígeno a la atmósfera.

El gran evento de oxigenación no fue un proceso instantáneo y representa un cambio de un equilibrio (bajo nivel de oxígeno) a otro (20% de oxígeno). Esta abundancia de oxígeno y carbono orgánico significa que hay un "nicho" para los organismos que queman el carbono orgánico preexistente y utilizan el oxígeno como aceptación de electrones terminales. Los organismos fermentadores utilizan el carbono orgánico como materia prima, pero no tienen oxígeno, por lo que utilizan moléculas orgánicas muy reducidas como aceptores terminales de electrones (menos energéticos), produciendo ácidos mixtos (bacterias del sudor) o etanol (levadura).

Utilizando procesos industriales modernos, ¿se podría emular esto haciendo granjas de cianobacterias para ayudar a frenar el problema climático?

Las cianobacterias y otros fotótrofos aeróbicos convierten el dióxido de carbono en oxígeno y carbono orgánico que pueden utilizar para producir biomasa. Entonces, si tuvieras suficiente de estos, necesitarías deshacerte de la biomasa. La silvicultura responsable para la vivienda en realidad marca esta casilla (cf. vs. un bosque maduro, que está casi en equilibrio donde la biomasa es consumida por otros organismos, de lo contrario, habría tenido una capa superior del suelo de crecimiento más rápido).

También leí en alguna parte que alguien pudo genéticamente (o por otros medios) desactivar la capacidad de una bacteria específica para reproducirse, haciendo que produzca un subproducto de manera mucho más eficiente. ¿Podría esto ayudar también a estas "granjas"?

Es un gran desafío de la biología sintética detener el crecimiento. Es realmente difícil de hacer, ya que dominará la "trampa" (es decir, la variante que puede crecer más rápido). La investigación sobre biocombustibles sufre de esto, ya que la vía de biosíntesis de ácidos grasos es muy costosa energéticamente y los tramposos eventualmente ganan a pesar de las salvaguardas más complicadas.

Alternativamente, ¿podríamos despojar genéticamente a las bacterias de todas las demás funciones que no sean la procreación y la fotosíntesis? Hacer que esta bacteria viva en una "burbuja" significaría que no necesitaría muchos mecanismos de defensa. Esto podría producir una bacteria de un solo propósito que sería súper eficiente para realizar esta única tarea.

El carbono será un problema, por lo que necesitará producir biomasa o algún compuesto de valor agregado.

Tres puntos adicionales:

Biotecnología verde

Hay muchas empresas de "biotecnología verde" y hay un número creciente de premios de química verde que se destinan a la biocatálisis (enzimas para una reacción) y, en algunos casos, a los procesos de biología sintética (organismos completos transformados por ingeniería para un producto o intermedio). Pero el primer campo tiene un crecimiento lento porque necesita competir contra un siglo de homo / heterocatalyis (química normal), mientras que el segundo necesita mucha más innovación tecnológica para mejorar el chasis de producción (por ejemplo, trampas, reacciones lentas, clúster hierro-azufre la sobreexpresión y el equilibrio de electrones son problemas comunes: la hidrogenasa es un ejemplo clásicamente citado de un objetivo difícil con gran potencial).

Tenga en cuenta que la mayoría de la biotecnología verde desacopla el proceso y utiliza la biomasa de las algas o plantas normales para alimentar a sus organismos modificados, ya que es más fácil y hay menos problemas de contención.

Brote de algas

En los comentarios que menciono, la fertilización con hierro de los océanos (un barco que libera un contenedor de nutrientes del tamaño de un contenedor a través de un cruce oceánico genera un auge planctónico sustancial, que aumenta los niveles de peces o se hunde y, por lo tanto, entierra el carbono que convierte en biomasa). Este es un caso curioso de cultivo de algas a gran escala y barato. Pero no conocemos todos los detalles, sí, estaríamos sobrealimentando los océanos (que son estériles en relación con, por ejemplo, una jungla), pero podemos favorecer las algas liberadoras de toxinas, las medusas y las pesquerías de desequilibrio y, de hecho, enviar a la extinción a otras.

Biorreactor en la ISS

La estación espacial internacional divide el agua para producir oxígeno, arroja todos los desechos de carbono al exterior (CO2 y…) y envía agua y alimentos. ¡Esto es extraño, ya que cabría esperar que fueran los primeros en usar algas para eliminar el CO2! Sin embargo, las cosas están cambiando: están probando un biorreactor de algas, que a mayor escala dará como resultado un sistema de circuito casi cerrado. Sin embargo, hay muchos problemas de ingeniería y algunos biológicos que deben enfrentarse.


Cianobacterias

Cianobacterias / s aɪ ˌ æ n oʊ b æ k ˈ t ɪər i ə /, también conocido como Cyanophyta, son un filo de bacterias Gram-negativas [4] que obtienen energía a través de la fotosíntesis. El nombre cianobacterias proviene de su color (griego: κυανός, romanizado: kyanós, iluminado. 'azul'), [5] [6] dándoles su otro nombre, "alga verde azul", [7] [8] aunque los botánicos modernos restringen el término algas a eucariotas y no lo aplique a cianobacterias, que son procariotas. [9] Parece que se originaron en agua dulce o en un ambiente terrestre. [10] Sericitocromatia, el nombre propuesto del grupo parafilético y más basal son los ancestros tanto del grupo no fotosintético Melainabacteria como de las caianobacterias fotosintéticas, también llamadas Oxyphotobacteria. [11]

A partir de 2014 [actualización], la taxonomía se estaba revisando [1] [2]

  • Gunflintia
  • Ozarkcollenia
  • Myxophyceae Wallroth, 1833
  • Phycochromaceae Rabenhorst, 1865
  • Cianofíceas Sachs, 1874
  • Esquizofíceas Cohn, 1879
  • Cyanophyta Steinecke, 1931
  • Oxifotobacterias Gibbons y amplificador Murray, 1978

A diferencia de los procariotas heterótrofos, las cianobacterias tienen membranas internas. Estos son sacos aplanados llamados tilacoides donde se realiza la fotosíntesis. [12] [13]

Los eucariotas fototróficos, como las plantas verdes, realizan la fotosíntesis en plástidos que se cree que tienen su ascendencia en cianobacterias, adquiridas hace mucho tiempo mediante un proceso llamado endosimbiosis. Estas cianobacterias endosimbióticas en eucariotas luego evolucionaron y se diferenciaron en orgánulos especializados como cloroplastos, etioplastos y leucoplastos.

Al producir y liberar oxígeno como un subproducto de la fotosíntesis, se cree que las cianobacterias han convertido la atmósfera reductora y pobre en oxígeno en una oxidante, causando el Gran Evento de Oxigenación y la "oxidación de la Tierra", [14] que cambió drásticamente la composición de las formas de vida de la Tierra y condujo a la casi extinción de los organismos anaeróbicos. [15]

Las cianobacterias producen una variedad de toxinas conocidas como cianotoxinas que pueden representar un peligro para los seres humanos y los animales.

Las cianobacterias Synechocystis y Cyanothece son organismos modelo importantes con aplicaciones potenciales en biotecnología para la producción de bioetanol, colorantes alimentarios, como fuente de alimentos para humanos y animales, suplementos dietéticos y materias primas.


¿Podrían las granjas de cianobacterias ayudar a diluir los contaminantes en la atmósfera?

BASF insertó un gen en una planta de maíz que la hace más resistente a la sequía. Foto: BASF

La mayor parte de la ciencia ambiental se centra en cómo hacer retroceder el reloj, no adelantarlo, dice Ben Bostick, geoquímico del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty. "Pensamos en cómo podemos hacer retroceder nuestra huella, y no tanto en cómo podemos hacer que nuestra huella sea más grande de una manera positiva", dijo. “Pero hay muchos ejemplos de biología sintética que creo que en realidad tienen mucho potencial en el medio ambiente. Piense en cómo podemos ayudar a nuestro medio ambiente simplemente haciendo cosas como mejorar los materiales que fabricamos usando biología sintética ".

La biología sintética (synbio) es la construcción de componentes biológicos, como enzimas y células, o funciones y organismos que no existen en la naturaleza, o su rediseño para realizar nuevas funciones. Los biólogos sintéticos identifican secuencias de genes que dan a los organismos ciertos rasgos, las crean químicamente en un laboratorio y luego las insertan en otros microorganismos, como E. coli, para que produzcan las proteínas, características o funciones deseadas.

Desde 2011, cuando escribí una introducción general a synbio, el campo ha crecido rápidamente.

Una razón de esto es el desarrollo de la herramienta de edición de genes CRISPR-Cas9, utilizada por primera vez en 2013, que localiza, corta y reemplaza el ADN en ubicaciones específicas. Otra razón es lo fácil que se ha vuelto usar el Registro de Partes Biológicas Estándar, que cataloga más de 20,000 partes genéticas o BioBricks que se pueden pedir y usar para crear nuevos organismos o sistemas sintéticos.

En 2018, los inversores invirtieron 3.800 millones de dólares y los gobiernos de todo el mundo invirtieron 50 millones de dólares en empresas synbio. Para 2022, se proyecta que el mercado global de aplicaciones synbio sea de $ 13,9 mil millones. Pero la biología sintética sigue siendo controvertida porque implica alterar la naturaleza y su potencial y riesgos no se comprenden completamente.

Bostick, quien trabaja para remediar la contaminación por arsénico de las aguas subterráneas estimulando las bacterias naturales para que produzcan sustancias a las que se adhiere el arsénico, explicó que, de hecho, toda la comunidad biológica que trabaja con organismos altera los sistemas biológicos todo el tiempo, pero no cambia el material genético. u organismos. Los científicos eliminan enzimas, insertan nuevas y cambian diferentes cosas para comprender el mundo natural. "Esas son técnicas estándar ahora, pero se hacen de manera mecánica", dijo. “Si quieres ver cómo funciona una proteína, ¿qué haces? De hecho, lo cambia, así es exactamente como hemos estudiado nuestro entorno. Son sintéticos y son alteraciones biológicas, pero simplemente no se hacen con el propósito que define la biología sintética ". Synbio es más controvertido porque su propósito es construir sistemas biológicos artificiales que aún no existen en el mundo natural.

Sin embargo, la biología sintética está produciendo algunas posibles soluciones a nuestros problemas ambientales más intratables. Aquí hay unos ejemplos.

Lidiando con la contaminación

Los microbios se han utilizado para detectar, identificar y cuantificar contaminantes ambientales durante décadas. Ahora, los biosensores microbianos sintetizados pueden apuntar a toxinas específicas como arsénico, cadmio, mercurio, nitrógeno, amonio, nitrato, fósforo y metales pesados, y responden de diversas formas. Pueden diseñarse para generar una señal electroquímica, térmica, acústica o bioluminiscente cuando se encuentran con el contaminante designado.

CRISPR se utilizó para dar a las moscas de la fruta ojos rojos fluorescentes. Foto: NICHD

Algunos microbios pueden descontaminar el suelo o el agua de forma natural. Sintetizar ciertas proteínas y transferirlas a estas bacterias puede mejorar su capacidad para unirse o degradar metales pesados ​​o radionúclidos. A una bacteria del suelo se le dieron nuevos circuitos reguladores que la dirigen a consumir químicos industriales como alimento. Los investigadores en Escocia están diseñando bacterias para convertir metales pesados ​​en nanopartículas metálicas, que se utilizan en la medicina, la industria y los combustibles.

CustoMem en el Reino Unido utiliza biología sintética para crear un material granular que atrae y se adhiere a microcontaminantes como pesticidas, productos farmacéuticos y ciertos productos químicos en las aguas residuales. Y los investigadores australianos están intentando crear una estructura multicelular a la que llaman "medusa sintética" que podría liberarse después de un derrame tóxico para descomponer los contaminantes.

Preservando la biodiversidad

Los científicos están utilizando biología sintética para hacer que los castaños americanos sean más resistentes a un hongo mortal. Foto: Joe Blowe

Los castaños americanos dominaron la costa este de los EE. UU. Hasta 1876, cuando un hongo transportado por semillas de castaño importadas los devastó, dejando menos del uno por ciento en 1950. Para hacer árboles resistentes al tizón, los científicos han insertado un gen de trigo en embriones de castaño, lo que permite ellos para producir una enzima que desintoxica el hongo. Es probable que este castaño se convierta en el primer organismo genéticamente modificado que se libere en la naturaleza una vez que sea aprobado por el Departamento de Agricultura, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA).

Revive & amp Restore, una organización que utiliza técnicas genéticas para preservar la biodiversidad, está intentando rescatar al hurón de patas negras en peligro de extinción, que es susceptible a la peste selvática. Debido a que el hurón doméstico no lo es, los científicos están estudiando la posibilidad de encontrar los genes que le dan resistencia al hurón doméstico y editarlos en el genoma del hurón de patas negras. La investigación comenzará con cultivos celulares en el laboratorio.

Impulsores genéticos son mecanismos que propagan un rasgo genético deseado a través de una población para controlar las especies invasoras. Recientemente se consideró un impulso genético para controlar el mejillón dorado, que ha invadido las aguas de América del Sur y América Latina. Después de identificar los genes relacionados con la reproducción y la infertilidad en los mejillones dorados, los científicos propusieron usar CRISPR-Cas9 para editar el genoma del mejillón y hacer que las hembras fueran infértiles. Los mejillones genéticamente modificados luego se criarían con mejillones silvestres en el laboratorio, creando embriones modificados que podrían liberarse en la naturaleza para propagar la infertilidad en toda la población. Un impulso genético para eliminar los mosquitos que transmiten la malaria ha funcionado en el laboratorio, pero todavía no se ha probado ningún impulso genético en el campo.

Esta costra del suelo contiene cianobacterias, algas, hongos y líquenes. Foto: brew books

Algunos científicos también están trabajando para modificar los genomas de los corales para darles más resistencia al calentamiento de las temperaturas oceánicas, la contaminación y la acidificación de los océanos. Otros han propuesto modificar los genes de las cianobacterias que afectan la humedad en la corteza del suelo de ecosistemas semidesérticos para que el suelo retenga más agua y pueda crecer más vegetación.

Alimentando al mundo

Dado que se espera que la población mundial alcance los 10 mil millones para 2050, la demanda mundial de alimentos podría aumentar entre un 59 y un 98 por ciento. Los impactos del cambio climático — temperaturas más altas, clima extremo, sequía, niveles crecientes de dióxido de carbono y aumento del nivel del mar — están poniendo en peligro la cantidad y calidad de nuestros suministros de alimentos.

Investigadores de la Universidad de California en San Diego descubrieron que cuando las plantas se encuentran en condiciones secas, liberan una hormona que cierra los poros de la planta para retener el agua, ralentiza su crecimiento y mantiene las semillas inactivas. Sin embargo, esa hormona es costosa de sintetizar, por lo que los científicos trabajaron con receptores desarrollados sintéticamente en plantas de tomate que respondieron de una manera similar de conservación de agua a un fungicida de uso común, haciendo que las plantas sean más resistentes a la sequía.

Los científicos del Instituto Salk han identificado los genes que estimulan al sistema de raíces de una planta a crecer más profundamente en el suelo. Planean diseñar vías genéticas para impulsar raíces más profundas, lo que permitirá a las plantas de cultivo resistir el estrés, secuestrar más carbono y enriquecer el suelo.

Los microbios que viven con las legumbres les dan la capacidad de convertir el nitrógeno de la atmósfera en nutrientes que la planta necesita para crecer. Sin embargo, debido a que otras plantas no pueden asimilar el nitrógeno de forma natural, los agricultores han utilizado tradicionalmente fertilizantes químicos. La producción de fertilizantes, principalmente a partir de combustibles fósiles, genera emisiones de gases de efecto invernadero y eutrofización. Como alternativa, Pivot Bio, una empresa de California, diseñó los genes de un microbio que vive en las raíces de las plantas de maíz, trigo y arroz para permitir que el microbio extraiga nitrógeno del aire y lo alimente a una planta a cambio de nutrientes. . En las pruebas de campo, su microbio productor de nitrógeno para el maíz produjo 7.7 bushels por acre más que los campos fertilizados químicamente.

La agricultura, incluida la cría de ganado, es responsable de aproximadamente el 8 por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de EE. UU. Se están utilizando microbios genéticamente modificados para producir alimentos más sostenibles, éticos y potencialmente más saludables. Motif Ingredients está desarrollando ingredientes proteicos alternativos sin agricultura animal. Utiliza microbios diseñados para producir proteínas alimentarias que se pueden adaptar para imitar sabores o texturas similares a las que se encuentran en la carne de res y los lácteos.

La hamburguesa imposible. Foto: Dale Cruse

La hamburguesa a base de plantas de Impossible Foods contiene hemo sintetizado, la molécula que contiene hierro que se encuentra en animales y plantas y que le da a la carne su sabor sangriento. Para hacerlo, los científicos agregaron un gen vegetal a la levadura que, después de la fermentación, produjo grandes cantidades de la proteína hemo. Impossible Burger utiliza un 75 por ciento menos de agua y un 95 por ciento menos de tierra que una hamburguesa de ternera normal, y produce un 87 por ciento menos de emisiones de gases de efecto invernadero.

A medida que crece la demanda de productos del mar a nivel mundial (las poblaciones de pesca ya están sobreexplotadas en un 90 por ciento), también lo hace la necesidad de harina de pescado, los gránulos de proteína hechos de pequeños peces molidos y granos que alimentan a los peces de cultivo y al ganado. NovoNutrients, con sede en California, utiliza CO2 de las emisiones industriales para alimentar bacterias creadas en el laboratorio, que luego producen proteínas similares a los aminoácidos que los peces obtienen al comer peces más pequeños; las bacterias reemplazan la harina de pescado, proporcionando al pescado proteínas y otros nutrientes.

Creando productos más ecológicos

La quema de combustibles fósiles para obtener energía representó el 94 por ciento del total de las emisiones antropogénicas de CO2 de EE. UU. En 2016, por lo que muchas investigaciones tienen como objetivo crear mejores biocombustibles que no compitan con la producción de alimentos, los nutrientes del suelo o el espacio. La última generación de biocombustibles se centra en microalgas modificadas, que tienen un alto contenido de grasas y carbohidratos, crecen rápidamente y son relativamente robustas. La alteración de sus vías metabólicas les permite realizar la fotosíntesis de manera más eficiente, producir más aceite, absorber más carbono y ser más resistentes para poder aumentar su número.

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables estudia microalgas para biocombustibles
Foto: DOE

LanzaTech en Illinois identificó un organismo que naturalmente produce etanol a partir de gases residuales industriales. Después de que la empresa lo diseñó con "vías" de otros organismos para mejorar su rendimiento, el organismo puede producir moléculas únicas para productos químicos y combustibles valiosos. La primera planta comercial de LanzaTech en China ha producido más de siete millones de galones de etanol a partir de las emisiones de las acerías que se pueden convertir en combustible para aviones y otros productos.

165 millones de toneladas de plástico han destruido los océanos, y cada año se agregan casi 9 millones de toneladas más. Synbio podría proporcionar una solución a este problema de contaminación, tanto degradando el plástico como reemplazándolo.

En 2016, investigadores en Japón identificaron dos enzimas en una bacteria que le permiten alimentarse y degradar el plástico PET, del tipo que se usa para botellas de agua y recipientes para alimentos. Desde entonces, investigadores de todo el mundo han estado analizando cómo las enzimas descomponen el plástico y tratando de mejorar su capacidad para hacerlo.

Newlight Technologies, con sede en California, está utilizando un biocatalizador basado en microorganismos especialmente desarrollado (similar a una enzima) para convertir el gas residual capturado del aire en un bioplástico. El biocatalizador extrae carbono del metano o dióxido de carbono de granjas, plantas de tratamiento de agua, vertederos o instalaciones de energía, luego lo combina con hidrógeno y oxígeno para sintetizar un material biopolimérico. El biopolímero, llamado AirCarbon, puede reemplazar al plástico en muebles y empaques.

La lignina es un componente clave de las plantas que, al igual que otros tipos de biomasa, podría usarse para combustibles renovables y productos químicos. Dado que muy pocas bacterias y hongos pueden degradarlo de forma natural, los científicos han intentado durante años desarrollar una forma eficaz de hacerlo. Ahora, algunos han diseñado una enzima natural para descomponerla, lo que eventualmente podría hacer posible el uso de lignina para nailon, bioplásticos e incluso fibra de carbono.

La fabricación de dispositivos electrónicos complejos requiere sustancias tóxicas, raras y no renovables, y genera más de 50 millones de toneladas de desechos electrónicos cada año. Simon Vecchioni, quien recientemente defendió su doctorado en ingeniería biomédica en la Universidad de Columbia, está utilizando biología sintética para producir nanocables y redes de ADN como alternativa a la tecnología de dispositivos de silicio.

Vecchioni ordenó ADN sintetizado a una empresa, lo usó para crear su propio BioBrick personalizado, una pieza circular de ADN, y lo insertó en la bacteria. E. coli, que creó copias del ADN. Luego cortó una parte del ADN e insertó un ión de plata en él, convirtiendo el ADN en un conductor de electricidad. Su próximo desafío es convertir los nanocables de ADN en una red. Los nanocables de ADN podrían algún día reemplazar los cables hechos de metales valiosos como oro, plata (que Vecchioni solo usa a escala atómica), platino e iridio, y su capacidad de "autoensamblaje" podría eliminar el uso de químicos de procesamiento tóxicos. utilizado para grabar silicio.

“Una tecnología para fabricar circuitos eléctricos a nanoescala podría transformar la industria electrónica. Las bacterias son fábricas a microescala y el ADN es un material biodegradable ”, dijo. "Si tenemos éxito, podemos esperar producir productos electrónicos limpios, baratos y renovables para uso del consumidor".

La producción de cemento (un ingrediente clave del hormigón) es responsable de alrededor del ocho por ciento de las emisiones globales de gases de efecto invernadero debido a la energía necesaria para extraer, transportar y preparar las materias primas. bioMASON en Carolina del Norte ofrece una alternativa al colocar arena en moldes e inyectarla con bacterias, que luego se alimentan con iones de calcio en agua. Los iones crean una capa de carbonato de calcio con las paredes celulares de las bacterias, lo que hace que las partículas se peguen. Un ladrillo crece en tres a cinco días. Los ladrillos de bioMASON se pueden personalizar para que brillen en la oscuridad, absorban la contaminación o cambien de color cuando están mojados.

Vestirse de forma más sostenible

La moda rápida tiene un impacto desastroso en el medio ambiente debido a sus tintes y acabados de telas, el uso de combustibles fósiles y la contaminación de las microfibras. Aproximadamente tres cuartas partes del agua utilizada para teñir termina como aguas residuales tóxicas, y más del 60 por ciento de los textiles están hechos de poliéster y otras fibras a base de combustibles fósiles que desprenden microfibras cuando se lavan y contaminan nuestras aguas.

Fábrica textil en Bangladesh Foto: NYU Stern BHR

La empresa francesa Pili sintetiza enzimas que se pueden adaptar para producir diferentes colores y luego las integra en bacterias. Entonces, las bacterias pueden crear pigmentos. El tinte de Pili se produce sin productos derivados del petróleo ni productos químicos, y utiliza una quinta parte del agua de los tintes normales.

La seda de araña, considerada uno de los materiales más fuertes de la naturaleza, es elástica, duradera y suave. Bolt Threads, con sede en San Francisco, estudió el ADN de la araña para descubrir qué le da a la seda de araña sus características especiales, luego diseñó genes en consecuencia y los puso en levadura, que, después de la fermentación, produce grandes cantidades de proteínas de seda líquidas. Luego, la proteína de la seda se hila en fibras, que pueden convertirse en Microsilk renovable.

Los riesgos de synbio

En los EE. UU., Los productos químicos y farmacéuticos de synbio están regulados principalmente por la Ley de Control de Sustancias Tóxicas de 1976. Otros productos y aplicaciones comerciales de synbio están regulados por la EPA, el Departamento de Agricultura y la FDA. Pero, ¿tienen estas agencias la capacidad y la eficacia para monitorear la biología sintética tan rápido como se desarrolla y cambia?

A medida que algunas aplicaciones de biología sintética están comenzando a salir del laboratorio, existen preocupaciones sobre sus posibles riesgos ambientales. Si un organismo modificado, como los que se utilizan en los impulsos genéticos, se libera en la naturaleza, ¿podría tener más éxito que las especies existentes en un ecosistema y propagarse sin control?

Bostick señaló que cada proyecto de biología sintética actual suele centrarse en una modificación muy específica. "Se trata de agregar o alterar una sola enzima, posiblemente poniendo en una serie de enzimas para que pueda hacer una cosa", dijo. “Muy pocas veces se modifica el resto del organismo, por lo que no es fundamental para el éxito del organismo y no es probable que se desarrolle de manera desenfrenada. Desde un punto de vista científico, es difícil cambiar más de una cosa ".

Además, según Vecchioni, la mayor parte de la investigación sinbio está siendo realizada por grupos de estudiantes a través de iGEM & # 8217s International Genetically Engineered Machine Competition, y cada proyecto iGEM debe tener un componente de seguridad, alguna forma de apagar el gen o regularlo si se escapa.

Otra preocupación es que la creación o modificación de organismos podría usarse para crear una enfermedad con el propósito de bioterrorismo. Vecchioni explicó que el FBI está atento a esto. “Entran amablemente y dicen 'hola, estamos mirando'”, dijo. "También van a conferencias y solo se aseguran de que la gente sea inteligente al respecto". Añadió que las empresas de síntesis de ADN también están en alerta. "Tienen una biblioteca de piezas de ADN peligrosas conocidas, por lo que si intenta pedir algo que se sabe que crea una enfermedad en cualquier organismo, el FBI llamará a su puerta".

Una preocupación más reciente es que los institutos de investigación han comenzado a establecer biofundidores, instalaciones que dependen en gran medida de la automatización y la inteligencia artificial (IA) para mejorar y acelerar sus capacidades biotecnológicas. Jim Thomas, codirector ejecutivo del Grupo ETC, que monitorea las tecnologías emergentes, está preocupado por las decenas de miles de organismos para los que se está utilizando la IA. “Plantea una pregunta de seguridad real porque si algo sale mal, es posible que no comprenda por qué salió mal”, dijo Thomas. "Con la IA es una especie de caja negra". Señaló que la mayoría de los expertos están de acuerdo en que tiene que haber un proceso para monitorear y evaluar los nuevos desarrollos en synbio.

A pesar de los riesgos potenciales de synbio, sus beneficios potenciales para el planeta son enormes. Y como nuestro medio ambiente se ve afectado por los impactos del cambio climático y la actividad humana, debemos explorar todas las opciones. "Necesitamos todas las soluciones posibles para llegar incluso de forma remota a la magnitud del cambio que necesitamos para mejorar nuestro mundo", dijo Bostick.


Introducción

Se espera que la población mundial actual de alrededor de 7,2 mil millones supere los 9,6 mil millones para fines del año 2050. Para proporcionar alimentos a todos en ese momento, la producción anual de cereales necesita un aumento de alrededor del 50%, es decir, de 2,1 mil millones. toneladas por año a & # x223C3 mil millones de toneladas por año. Este oneroso objetivo ejerce una enorme presión sobre el sector agrícola para lograr la seguridad alimentaria. Pero ese salto cualitativo en la producción de alimentos se puede lograr ya sea cultivando más y más tierra o mejorando la productividad de la tierra cultivable disponible. La primera opción sigue siendo un sueño lejano a la luz de la escasez de tierras y la creciente población. La opción de aumentar la fertilidad del suelo y la productividad agrícola con la ayuda de mejores herramientas de gestión ecológicas promete una seguridad alimentaria exitosa.

Las prácticas agrícolas actuales dependen en gran medida de la aplicación de fertilizantes y plaguicidas sintéticos, la labranza intensiva y el riego excesivo, que sin duda han ayudado a muchos países en desarrollo a satisfacer las necesidades alimentarias de su población; sin embargo, plantearon problemas ambientales y de salud, que incluyen el deterioro del suelo. fertilidad, uso excesivo de la tierra y los recursos hídricos, medio ambiente contaminado y aumento del costo de la producción agrícola. Un gran interrogante ante la agricultura actual es potenciar la producción agrícola para satisfacer las necesidades alimentarias presentes y futuras de la población dentro de los limitados recursos disponibles, sin deteriorar la calidad ambiental (Singh y Strong, 2016). Las prácticas de agricultura sostenible pueden satisfacer la creciente necesidad de alimentos, así como la calidad ambiental (Mason, 2003). La filosofía actual de la agricultura sostenible incluye la agricultura ecológica y de bajo costo con la ayuda de microorganismos nativos. También enfatiza que los agricultores deben trabajar con procesos naturales para conservar recursos como el suelo y el agua, minimizando al mismo tiempo el costo de producción agrícola y la generación de desechos que afectan adversamente la calidad del medio ambiente. Estas prácticas de gestión agrícola sostenible harán que el agroecosistema sea más resistente, autorregulado y también mantendrá la productividad y la rentabilidad.

Desde hace mucho tiempo, se sabe que los microbios contribuyen a la fertilidad del suelo y a la producción sostenible de energía verde (Koller et al., 2012). Durante las últimas décadas, los procesos microbianos de producción de energía verde han ganado interés como herramienta sostenible para la generación de biocombustibles, a saber, el metano (CH4), etanol, H2, butanol, gas de síntesis, etc. Las investigaciones actuales han sido testigos de un notable aumento de la producción de biomasa de cianobacterias para biocombustibles, complementos alimenticios (superalimentos) y biofertilizantes para una agricultura segura (Yamaguchi, 1997 Benson et al., 2014). Se han clasificado como agentes biológicos beneficiosos e inofensivos en función de su función en la regulación de la productividad de las plantas. En realidad, estos dos grupos diversos de microorganismos coexisten en la naturaleza, y el predominio de uno en cualquier momento depende principalmente de las condiciones ambientales. Durante muchos años, los microbiólogos del suelo y los ecologistas microbianos han estado estudiando el efecto de los microorganismos del suelo beneficiosos o eficientes para la agricultura sostenible que no solo contribuyen a la fertilidad del suelo, el crecimiento y el rendimiento de los cultivos, sino que también mejoran la calidad del medio ambiente.

Hoy en día, las prácticas de agricultura sostenible han vislumbrado un papel importante de estos diminutos microorganismos en el logro de la seguridad alimentaria sin generar problemas ambientales. Las tendencias recientes de usar bioinoculantes que contienen microbios beneficiosos para el suelo en lugar de fertilizantes, insecticidas y pesticidas sintéticos para mejorar la productividad de los cultivos son un paso bienvenido. Como microbio beneficioso, las cianobacterias podrían desempeñar un papel potencial en la mejora de la productividad agrícola y la mitigación de las emisiones de GEI (Singh, 2011 Singh et al., 2011a). Muy recientemente, se ha propuesto que las cianobacterias podrían ser los agentes biológicos vitales en la restauración ecológica de tierras degradadas (Singh, 2014). Las cianobacterias son el grupo de organismos fotosintéticos que pueden sobrevivir fácilmente con el mínimo requisito de luz, dióxido de carbono (CO2) y agua (Woese, 1987 Castenholz, 2001). Son fotótrofos y ocurren naturalmente en varios agroecosistemas como los arrozales y desde la Antártida hasta los polos árticos (Pandey et al., 2004). Cumplen su propio requerimiento de nitrógeno por nitrógeno (N2) -fijación, y producen algunos compuestos bioactivos, que promueven el crecimiento de los cultivos / los protegen de patógenos y mejoran el estado de nutrientes del suelo. Las cianobacterias también son útiles para el tratamiento de aguas residuales y tienen la capacidad de degradar los diversos compuestos tóxicos, incluso los pesticidas (Cohen, 2006). A conceptual model about the role of cyanobacteria in sustainable agriculture and environmental management has been proposed (Figure 1). This review highlights the role of cyanobacteria in bio-energy production, ecological restoration, agriculture and environmental sustainability.

FIGURE 1. A hypothetical model exhibiting the potential roles of cyanobacteria in sustainable agriculture and environmental management.


Agradecimientos

The authors thank J. van Arkel for help with the drawings and A. Ballot, W. van Egmond, S. Flury, E. Killer, L. Krienitz and M. Stomp for sharing their photographs. H.W.P. was supported by the US National Science Foundation and the Chinese Ministry of Science and Technology. J.M.H.V. was supported by Amsterdam Water Science, which was funded by the Amsterdam Academic Alliance.

Reviewer information

Nature Reviews Microbiología thanks B. Neilan, B. Qin and the other anonymous reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work.


What are harmful algal blooms?

Harmful algal blooms are overgrowths of algae in water. Some produce dangerous toxins in fresh or marine water but even nontoxic blooms hurt the environment and local economies.

What are the effects of harmful algal blooms?

Did you know?

Climate change might lead to stronger and more frequent algal blooms.
Find out how.

What causes harmful algal blooms?

Nutrient pollution from human activities makes the problem worse, leading to more severe blooms that occur more often.

What you can do to help

The following links exit the site Exit

Volunteer to monitor waterbodies for algal blooms

Report suspected algal blooms to your state

State departments of health or environment are the best sources for local information about harmful algal blooms.

Help prevent nutrient pollution

Simple actions around your home and yard can make a big difference


CHAPTER 6 - Biological Solutions

Biological solutions to problems in environmental engineering often involve engineers integrating apparently disjointed biological knowledge, and tailoring this knowledge to address specific engineering challenges. This chapter describes how the emerging discipline of environmental biotechnology contributes to the field of environmental engineering. Biological solutions help in assessing the risk to human health and determining the effectiveness of environmental engineering design decisions to reduce this risk to an acceptable level for the least possible cost. Molecular biology-based forensic tools are increasingly used by researchers in environmental engineering to address the problem of identifying the source of microbiological pollution for Section 303d waters. This emerging field of microbial or bacterial source tracking (MST or BST) often relies upon molecular biology-based assays to identify specific microorganisms and to link environmental microbiological pollution to its source. Wastewater treatment plants are also a biological solution to the problem of highly concentrated organic pollution. In such wastewater treatment plants, the processes of microbial degradation of organic waste with biomass production followed by sedimentation are encouraged to occur in a highly controlled environment. In the past 10 years, environmental engineers have collaborated with microbiologists to develop alternative technologies for total nitrogen removal that avoid some of the inefficiency of nitrification followed by denitrification. The alternative biological solution to total nitrogen removal is known as anaerobic ammonia oxidization (ANAMMOX). In the ANAMMOX process, specific populations of microorganisms couple the reduction of nitrite to the simultaneous oxidization of ammonia to produce dinitrogen gas.


Water Quality and Sustainability

4.8.5.2.1.3 Climate impact

Cyanobacteria are a type of prokaryote. Outbreaks only occur when the population of cyanobacteria per unit of water increases drastically. The growth profile of cyanobacteria presents an S-shape curve, which indicates that a certain amount of time is needed for single cells and groups to develop. Environmental conditions, especially water temperature, significantly impact their growth rate. Cyanobacteria tend to become overpopulated at certain temperatures. Otherwise, the growth rate is inhibited and the population size remains low. In this way, climate plays an important role in early period of cyanobacteria growth. Zheng y col. (2008) reported that cyanobacteria outbreaks readily occurred over periods of 30 days during which sufficient nutrients were available, temperature remained above 18 °C, active accumulated temperature remained above 370 °C·d, weak wind conditions, and more than 208 h of sunlight. However, climate conditions such as high relative humidity, precipitation, and wind speed do not influence cyanobacteria outbreaks remarkable. Generally, July and August in the Taihu lake basin is usually favorable to cyanobacteria outbreaks.


DNA Tests Could Help Predict, Prevent Harmful Algal Blooms

A paper published in the current issue of the International Journal of Environment and Pollution, explains how a DNA test can be used to detect harmful algal blooms across the globe. The approach outlined could help reduce the economic impact on fisheries, recreational activities, and aquaculture sites, such as salmon and shellfish farms, and pearl oyster farms.

It could also help decrease the outbreaks of food poisoning due to contamination of seafood by the toxins some of these algae produce.

Senjie Lin, an Associate Professor of Molecular Ecology in the Department of Marine Sciences, at University of Connecticut, explains that the geographic extent, frequency, intensity, and economic impact of harmful algal blooms have increased dramatically in recent decades throughout the coastlines of the world. It is possible, he suggests, that this increase is partly due to greater awareness and better monitoring technology.

However, factors such as climate change and increasing levels of pollution are more likely to blame for algal bloom occurrences. Ironically, says Lin, aquaculture operations themselves are often the cause of algal blooms because of the large mass of concentrated waste products from cultured animals.

Algae include cyanobacteria, dinoflagellates, diatoms, raphidophytes, haptophytes, and various other species many of which produce potent toxins. Some, however, are hazardous simply because of the unusually high biomass they produce along a coastline, lake, or other body of water. It was recently estimated that annual economic losses due to algal blooms in the USA alone runs to tens of millions of dollars.

"To minimize economic and environmental impacts, an early warning detection system is needed," says Lin. He has reviewed the two molecular biology techniques that are most commonly used to detect harmful algae, with the putatively toxic dinoflagellate Pfiesteria piscicida as a case study.

Lin's paper provides practical information on the technical aspects of using biological markers - DNA or RNA - to detect the algae quickly and easily without the need for highly sophisticated methods or equipment. Crucial to success is the development of a portable device that could be used on board research vessels or fishing vessels equally as well.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Inderscience Publishers. Nota: El contenido puede editarse por estilo y longitud.


Role of microalgae and cyanobacteria in wastewater treatment: genetic engineering and omics approaches

Emergence of pollutants in wastewater, expensive cultivation of microalgae, and difficulties in industrial scale production are the main challenges for successful coupling of microalgae with wastewater. Nitrogen, carbon, and phosphorus in wastewater are deliberately consumed by microalgae and cyanobacteria for their growth and could act as green technology for wastewater treatment. In this review, the role and mechanistic approaches of microalgae and cyanobacteria for removal of various (in)organic compounds from wastewater have been thoroughly addressed. Distinct pathways have been reported for improving wastewater treatment technologies through large-scale cultivation of microalgal. The techno-economic feasibility and major commercial production challenges along with genetic engineering research have been addressed. A biorefinery approach with integrated biology, ecology, and engineering would lead to a feasible microalgal-based technology for various applications.

Resumen gráfico

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Household products can really pollute the air

Everyday products like these emit a bouquet of chemicals that contribute vapors into the air. A spritz of cleanser or spray of some disinfectant will have a small effect. Frequent use of these products by millions of people, however, can really pollute the air.

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February 27, 2018 at 6:45 am

AUSTIN, Texas — Families wanting to reduce their impact on air pollution might need to do more than trade in a gas-guzzling car, a new study reports. It found that simple household items also are dirtying urban air. One example: those nicely scented air fresheners.

Paints, cleaning supplies and personal care products (think deodorants and hair sprays) are among common products that send a host of chemicals into the air. These air pollutants — some of them sweet smelling — now contribute as much to lung-irritating ozone and to tiny airborne particulates as does the burning of gasoline or diesel fuel.

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It might not seem that way, but the finding is a mark of success, says Brian McDonald. He is a chemist at the Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences in Boulder, Colo. He also was an author of the new study. And he shared some of his team’s findings February 15 during a news conference. It took place here, at the annual meeting of the American Association for the Advancement of Science. His group’s data also were published February 16 in Ciencias.

Steps to clean up car exhaust over the past few decades have had a huge effect, says McDonald. As a result, he notes, in cities “the sources of air pollution are now becoming more diverse.”

Spyros Pandis works at Carnegie Mellon University in Pittsburgh, Pa. He’s a chemical engineer who did not take part in the study. “When you have a big mountain in front of you,” he explains, “it’s difficult to know what lies behind it.” Now that big sources (such as traffic emissions) are falling, other sources become more visible.

The new study focused on a class of pollutants known as volatile organic compounds. Most are derived from petroleum or other fossil fuels. These VOCs are hundreds of diverse chemicals that easily evaporate. These gases then may linger in the air.

Some VOCs can be harmful when directly inhaled. Bleach and paint fumes make people lightheaded, for example. But beyond their immediate effects, VOCs also can react in the air with other chemicals. (These include oxygen and nitrogen oxides, largely from vehicle exhaust.) Those reactions can create ozone as well as fine particulates. High levels of fine particulate, tiny dustlike motes, can make it hard to breathe. They also can help foster chronic lung problems, diabetes and heart disease. (And while ozone high in the atmosphere helps shield earth from the sun’s harmful ultraviolet rays, at ground level it mixes with fine particulates to brew up breath-choking smog.

For six weeks, the researchers collected air samples in Pasadena, Calif. This was at a site in the well-known smoggy Los Angeles valley. They also studied indoor air measurements made by other scientists. The team traced the VOCs in these air samples to their original sources. To do this, they used databases showing the particular VOCs released by different household products.

Those household products had an outsized effect on air pollution, the team now reports. By weight, people use about 15 times more gasoline and diesel compared with VOC-emitting goods, such as soaps, shampoos, deodorants, air fresheners, glues and cleaning sprays. Yet those household products were responsible for 38 percent of the VOC emissions, the researchers found. That amount is 6 percentage points higher than the share due to gasoline and diesel use. The VOCs from household products also contributed as much as the fuels did to the production of ozone and fine particulates.

VOC-emitting consumer products

  • Champú
  • Hairspray
  • Desodorante
  • Perfume
  • Air fresheners
  • Cleaning sprays
  • Laundry detergent
  • Disinfectant wipes
  • Hand sanitizer
  • Pegamento
  • Pintura

Power Words

Asociación Americana para el Avance de la Ciencia Formed in 1848, it was the first permanent organization formed to promote the development of science and engineering at the national level and to represent the interests of all its disciplines. It is now the world&rsquos largest such society. Despite its name, membership in it is open to anyone who believes &ldquothat science, technology, engineering, and mathematics can help solve many of the challenges the world faces today.&rdquo Its members live in 91 nations. Based in Washington, D.C., it publishes a host of peer-reviewed journals &mdash most notably Ciencias.

anual Adjective for something that happens every year.

atmósfera The envelope of gases surrounding Earth or another planet.

blanqueador A dilute form of the liquid, sodium hypochlorite, that is used around the home to lighten and brighten fabrics, to remove stains or to kill germs. Or it can mean to lighten something permanently, such as: Being in constant sunlight bleached most of the rich coloring out of the window drapes.

químico Sustancia formada por dos o más átomos que se unen (enlazan) en una proporción y estructura fijas. For example, water is a chemical made when two hydrogen atoms bond to one oxygen atom. Its chemical formula is H2O. Chemical also can be an adjective to describe properties of materials that are the result of various reactions between different compounds.

chemical engineer A researcher who uses chemistry to solve problems related to the production of food, fuel, medicines and many other products.

chronic A condition, such as an illness (or its symptoms, including pain), that lasts for a long time.

compuesto (often used as a synonym for chemical) A compound is a substance formed when two or more chemical elements unite (bond) in fixed proportions. For example, water is a compound made of two hydrogen atoms bonded to one oxygen atom. Its chemical symbol is H2O.

base de datos An organized collection of information.

diabetes A disease where the body either makes too little of the hormone insulin (known as type 1 disease) or ignores the presence of too much insulin when it is present (known as type 2 diabetes).

combustible diesel Heavier and oilier than gasoline, this is another type of fuel made from crude oil. It&rsquos used to power many engines &mdash not only in cars and trucks but also to power some industrial motors &mdash that don&rsquot rely on spark plugs to ignite the fuel.

ingeniero Una persona que usa la ciencia para resolver problemas. Como verbo, diseñar significa diseñar un dispositivo, material o proceso que resolverá algún problema o necesidad insatisfecha.

environmental science The study of ecosystems to help identify environmental problems and possible solutions. Environmental science can bring together many fields including physics, chemistry, biology and oceanography to understand how ecosystems function and how humans can coexist with them in harmony. People who work in this field are known as environmental scientists.

evaporar To turn from liquid into vapor.

cansada (in engineering) The gases and fine particles emitted &mdash often at high speed and/or pressure &mdash by combustion (burning) or by the heating of air. Exhaust gases are usually a form of waste.

fine particulates See particulates.

combustible fósil Any fuel &mdash such as coal, petroleum (crude oil) or natural gas &mdash that has developed within the Earth over millions of years from the decayed remains of bacteria, plants or animals.

oxido de nitrógeno Pollutants made up of nitrogen and oxygen that form when fossil fuels are burned. The scientific symbol for these chemicals is NOx (pronounced &ldquoknocks&rdquo). The principle ones are nitric oxide (NO) and nitrous oxide (NO2).

orgánico (in chemistry) An adjective that indicates something is carbon-containing a term that relates to the chemicals that make up living organisms.

óxido A compound made by combining one or more elements with oxygen. Rust is an oxide so is water.

oxígeno A gas that makes up about 21 percent of Earth's atmosphere. All animals and many microorganisms need oxygen to fuel their growth (and metabolism).

ozono A colorless gas that forms high in the atmosphere and at ground level. When it forms at Earth&rsquos surface, ozone is a pollutant that irritates eyes and lungs. It is also a major ingredient of smog.

particulate A tiny bit of something. A term used by pollution scientists to refer to extremely tiny solid particles and liquid droplets in air that can be inhaled into the lungs. So-called coarse particulates are those with a diameter that is 10 micrometers or smaller. Fine particulates have a diameter no bigger than 2.5 micrometers (or 2,500 nanometers). Ultra-fine particulates tend to have a diameter of 0.1 micrometer (100 nanometers) or less. The smaller the particulate, the more easily it can be inhaled deeply into the lungs. Ultra-fine particulates may be small enough to pass through cell walls and into the blood, where they can then move throughout the body.

petróleo A thick flammable liquid mixture of hydrocarbons. Petroleum is a fossil fuel mainly found beneath the Earth&rsquos surface. It is the source of the chemicals used to make gasoline, lubricating oils, plastics and many other products.

pollutant A substance that taints something &mdash such as the air, water, our bodies or products. Some pollutants are chemicals, such as pesticides. Others may be radiation, including excess heat or light. Even weeds and other invasive species can be considered a type of biological pollution.

niebla tóxica A kind of pollution that develops when chemicals react in the air. The word comes from a blend of &ldquosmoke&rdquo and &ldquofog,&rdquo and was coined to describe pollution from burning fossil fuels on cold, damp days. Another kind of smog, which usually looks brown, develops when pollutants from cars react with sunlight in the atmosphere on hot days.

ultravioleta A portion of the light spectrum that is close to violet but invisible to the human eye.

urbano Of or related to cities, especially densely populated ones or regions where lots of traffic and industrial activity occurs. The development or buildup of urban areas is a phenomenon known as urbanization.

volatile organic compounds (VOCs) Certain solid and liquid chemicals that evaporate (become gases), often at room temperature or lower. Many of these chemicals can be harmful if inhaled or allowed to move through the skin. Concentrations of these chemicals tend to be higher indoors than out. Sources of VOCs include numerous household products, such as paints, varnishes, waxes, oil-dissolving solvents, cleansers, disinfecting, cosmetics, degreasers and glues. Many fuels also release VOCs.


Ver el vídeo: Tratando cianobacteria em aquario (Febrero 2023).