造物引言
传统化学材料的生产常常伴随着高能耗、高排放以及高污染，在可持续发展理念风行的当下，合成生物学与材料科学的结合为解决材料生产遗留的环境问题提供了一条思路。相信在不久的将来，随着新技术的涌现，合成生物学有望在材料创新方面发挥更大的作用，为人类迈向更环保、更高质量的生产和生活方式创造新的可能性。
材料在日常生活中随处可见，我们的衣服、汽车、电话、家具乃至房屋本身，一切都由材料制成。但我们中的大多数人从来不会思考这些材料的来源。不幸的是，
当前材料的生产和应用模式造成了如环境污染、分配不平等、资源的浪费与枯竭等问题。而随着世界人口的增长，这些问题会变得更加复杂。好在合成生物学正在为这一日益严重的危机开发解决方案。
据波士顿咨询公司（BCG）统计，截至 2023 年初，共成立有 79 家专注于材料应用的合成生物学公司，吸引私人投资近 80 亿美元。
合成生物学有潜力从源头改革材料供应链，从而颠覆时尚、消费品乃至采矿和建筑等多个行业。通过基因工程生物或使用生物工艺和原料生产材料不仅能优化供应链，还能创造出全新的产品。
让我们回顾一下合成生物学产生重大影响的一些主要领域，并重点介绍致力于实现这一愿景的头部公司和组织。
时尚产业
时尚业是合成生物学有望产生最大影响的行业。
纺织和时尚业是仅次于化石燃料和农业的世界第三大污染产业。
与时尚业相关的二氧化碳排放约占全球排放量的 10%，但问题并不止于此。
材料的采购、加工和出品环节都需要大量用水，并产生有毒污染物。
“快时尚”（fast fashion）产业产生了对新产品的人为需求，导致每年有大量“过时”产品被填埋。
南半球国家既是大部分产品的产地，也是受废品污染影响的重灾区。
时尚消费者正日益意识到这一点，并向品牌施压，要求他们建立更可持续化和透明化的供应链，减少浪费，延长服装和配饰的使用寿命。在可持续发展思想的推动下，
预计每年将有 200 亿至 300 亿美元的投资用于开发可持续替代品。合成生物创新者从多个方向发力以应对这一挑战，包括创造可生物降解、由可再生资源制成的石油合成材料替代品，用更具可持续性的替代品取代动物皮革等天然产品，以及提高染色工艺的可持续性。
在动物材料方面，合成生物学初创公司设计出了一种巧妙的解决方案——
蘑菇皮革。与动物皮革相比，蘑菇皮革对环境的影响要小得多。它的性能与传统皮革不相上下，即便是最奢华的物品，如名牌手袋，也可以用它来替代。2018 年，Bolt Threads 首次推出以菌丝体（蘑菇的根状结构）为原料的皮革，引入了丝黛拉麦卡妮（Stella McCartney）和阿迪达斯（Adidas）等大牌，但在去年生产线被暂停。如今，Mycoworks与爱马仕和 Ecovative 合作，推出了 Forager™ 皮革，继续引领着菌丝体皮革运动。
Modern Meadow提出了另一种方案——
通过酵母生产工程动物蛋白，以制造皮革替代品。该公司与意大利纺织品兼材料供应商 Limonta合作，生产了一系列以负责的方式生产的 Bio-Tex™ 材料，该材料可减少 90% 以上的温室气体排放。其中一个例子是 Modern Meadow 获得专利的 BioVERA™ 生物材料，它的质感接近于传统的皮革、绒面革或麂皮。使用 Modern Meadow 的 Bio-Alloy™ 技术制作的 Tory Burch Ella Tote手袋已经上架销售。
其他初创企业则将目光投向皮革以外的领域，以创造具有独特性能的新型复合材料。Bucha Bio是一家位于纽约的初创公司，计划制造皮革和塑料的替代品，以及基于细菌纳米纤维素和其他生物聚合物的复合材料。这种材料的特性可以通过改变生物试剂的比例来定制，比如耐火和夜光。Modern Synthesis公司同样在使用纳米纤维素技术，并与时尚品牌 Ganni 合作，生产一种零化石燃料投入的纳米纤维素包，该产品将于2025年亮相。
合成生物公司还在
开发更强、更轻、更环保的纺织纤维。
一些公司瞄准现有市场，如价值220 亿美元的尼龙产业。Lululemon等品牌都在使用Geno的生物基尼龙。还有一些公司，如日本 Spiber 公司试图从蜘蛛丝蛋白中获取灵感，发明一种新型的超高性能纤维。他们与The North Face合作开发的 MOON PARKA 已于 2019 年面世。另一个值得考量的因素是材料的生命周期。一家名为Werewool的创业公司正在制造工程生物基的生物可降解纤维，而另一家公司Bloom Labs则在利用生物制造技术将废物转化为纤维和塑料的可持续替代品。
除了更换材料，许多合成生物初创企业还打算在
改进染色技术方面下功夫。染色过程需要大量用水，且涉及刺激性化学品和重金属，并产生有毒废物。一家位于哥本哈根的初创公司Octarine Bio正在用无毒的酵母表达物替代石油化工染料。英国的Colorifix正在引入更环保的合成生物学方法，为纺织品和材料添加持久的颜色。虽然天然颜料的毒性低于合成染料，但它们通常过于昂贵，无法用于商业用途——除非能通过合成生物学方法制造。去年，生物基原料生产商Conagen开始通过精密发酵生产一种稀有的海洋紫色颜料。
消费品
合成生物学带来的变革不仅发生在时尚界，同样发生在其他消费品中。如美国的Geno公司成功扩大了 1,4-丁二醇（BDO）的生物生产线规模，这是该行业最早取得的成果之一。
BDO是一种被大量使用的化学品，在各类生产中如鞋子、汽车、电子产品中的塑料等均有应用。
生物BDO在商业上取得成功的原因之一是它在成本上具有竞争力，不仅可以替代原产品，而且预计可减少90%的碳排放。
Checkerspot是在消费品上成功应用生物技术的另一个典范。他们的旗舰产品——由微藻生物塑料制成的滑雪板——成立了一个名为“WNDR Alpine”的品牌。这些滑雪板不仅环保，而且性能比现有材料制成的更优秀。Checkerspot还意图通过 DIY 聚氨酯 Pollinator™ 铸造套件，将消费品的生物技术推向大众。
包装
包装在产品的生命周期中消耗了大量资源
。
采
用新技术面临的最大挑战是如何使包装既具有成本效益，又具有可持续性。
纽约的Ecovative公
司利用
大麻和菌丝体制造可堆肥包装来应对这一挑战。
蘑菇包装在美国和加拿大通过分销商销售，而在欧洲和英国则通过Magical Mushroom公司®销售。
虽然蘑菇包装是一种创造性的解决方案，但许多应用仍然需要现有材料的直接替代品。墨西哥一家名为Bioplaster的公司正在研发
藻基塑料，如水溶性塑料薄膜、热塑性塑料颗粒、生物降解纱线和生物泡沫塑料。Mango Materials公司也在生产
PHA基（聚羟基脂肪酸酯，微生物合成的一种细胞内聚酯）的塑料薄膜，这种薄膜在包括海洋在内的许多环境中都可以被生物降解。类似地，Ourobio公司利用发酵工艺将乳品业的副产品转化为 PHA 包装材料。
建筑材料
在产生最大生态印迹的行业中，建筑业排名第六。
具体来说，混凝土是建筑中使用最广泛的材料，但其生产方式会增加碳排放和用水量。
Solugen是一家总部位于休斯敦的公司，专门生产负碳化学品，该公司正在利用酶化学和可再生原料生产
环保混凝土。
他们生产的 Relox混凝土添加剂不仅可生物降解且无毒，还可减少混凝土中水泥和水的用量。
在美国国防部的支持下，Biomason公司开发出了一种商用生物水泥Biolith®。另一家公司普罗米修斯材料公司（Prometheus Materials）从科罗拉多大学博尔德分校（the University of Colorado Boulder）分离出来，开展了制造替代性生物水泥的活动，其灵感来自珊瑚和牡蛎建造外壳的工艺。他们将微藻与其他天然成分相结合，制成了
零碳生物水泥和生物混凝土。
还有一些人利用合成生物学，将建筑业绿色环保化的想法向前推进了一步。Basilisk公司正在制造“
自愈混凝土”，方法是在混凝土中嵌入能产生石灰石的特殊细菌，使其能够修复裂缝。另一家富有远见的初创公司Pneuma Bio希望开发出加入光合藻类的活体材料。这些技术赋予了“绿色生活”全新的含义。
采矿业
用生物基材料取代传统有机材料是一个直观的解决方案。
然而，生物甚至可以帮助提取
无机材料，如电子产品、太阳能电池板及许多其他产品中使用的贵金属和矿物。
合成生物学公司Cemvita和Allonnia正在为可持续采矿开发基于生物的技术方案。
例如，Cemvita的 Endolith™能帮助提取清洁能源技术中应用的
锂和铜。
而Allonnia提议使用食岩微生物（rock-eating microbes）从铁矿石中提取
铁，以提高该过程效率并减少碳排放。
负碳材料
原材料的提取和提炼占二氧化碳总排放的大部分。
只需用
生物基替代品取代提取的原材料，就能帮助重构全球供应链，大幅减少温室气体排放。
然而，一些公司正在更进一步，创造真正的碳汇技术。
LanzaTech公司在创造负碳材料方面处于领先地位。他们应用了一种技术，捕获各种作为工业副产品的温室气体，并将其转化为有价值的生物材料。去年，时尚巨头 H&M 用 LanzaTech的回收碳聚酯生产了一个运动服胶囊系列。LanzaTech 还与探险旅游品牌 Craghoppers合作，推出了可持续羊毛系列——“CO2Renu”，该系列产品由 30% 的回收碳衍生 PET 和 70% 的回收塑料瓶 PET 制成。
LanzaTech公司目前也许是碳封存领域最大的公司，但并不是唯一的一家。另一家负碳材料生产商Cemvita开发的eCO2™ 技术能利用各种废物流（waste streams）和二氧化碳，生产蛋白质和塑料等有价值的材料。Synbio初创公司 iMicrobes也掌握了将二氧化碳和甲烷等气体转化为生物可降解塑料的技术。此外，Pneuma Bio公司还提出了通过在材料中嵌入活的光合微藻来捕获二氧化碳的设想。
材料的未来
AI等新技术正在改变合成生物学，同时也为生物材料带来了新的可能。
纳米加工提高了材料制造的精度；
3D打印（包括超声波3D打印）扩大了可能的设计架构的范围；
对生物体基因组重新编码允许科学家们在多肽中引入非典型氨基酸；
人工智能辅助的蛋白质设计使科学家能够在基于蛋白质的材料中编码新的功能。
人们可以利用这些技术创造出全新的材料类别，无论是单独使用还是共同使用，从而将生物的精确性和功能性与制造的简便性结合起来。
这不再只是通过模仿现有特性来提高材料的可持续性
，比如取代动物皮革。Solena Materials和Cambrium等合成生物学公司正在通过人工智能设计的材料打破传统限制，将新功能引入熟悉的蛋白质中。
在当今世界，人类的想象力即为可能的极限。
参考链接：
https://www.synbiobeta.com/read/synthetic-biology-and-materials-scien
ce-working-together-to-redefine-entire-industries?utm_source=ActiveCampaign&utm_medium=email&utm_content=SynBioBeta
译者/祝好梦
审核/莫十二
编
辑/
莫十二
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