زیست فناوری در انقلاب صنعتی چهارم؛ساخت تخصصی آینده

انقلاب صنعتی چهارم فناوری‌های پیشرفته را با روش‌های نوآورانه ترکیب می‌کند و به طرز چشمگیری شیوه زندگی، کار و ارتباط مردم با یکدیگر را تغییر می‌دهد. آنچه که انقلاب صنعتی چهارم را بسیار متفاوت‌تر از انقلاب‌های صنعتی قبلی می‌کند، همگرایی و تعامل بین چندین روند فناوری به طور همزمان است. درس کلیدی از همه روندهای شکل‌گرفته این است که ما وارد عصری از تکامل مستمر و سریع می‌شویم؛ جایی که چندین گرایش فناوری ترکیب شده و به یکدیگر تغذیه می‌کنند تا تغییرات عظیمی را ایجاد کنند. برای کسب‌وکارها، این بدان معناست که روزهای ارتقای فناوری تدریجی برای همیشه از بین رفته است.


 

به طور کلی، در طول تاریخ بیوتکنولوژی به عنوان یک علم با اولویت بالا مورد توجه قرار گرفته است، اما اخیرا برخی از فرآیندهای بیوتکنولوژیکی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. بیوتکنولوژی مدرن دارای دامنه گسترده و ویژگی چند رشته‌ای است و به برنامه‌های مختلف و در بخش‌های گوناگون مرتبط است. فعالیت‌هایی مانند: معدن، بهداشت، تخمیر، کشاورزی و دام.

هنگامی که بیوتکنولوژی مدرن در اواخر دهه 1970 ظهور کرد، برای نخستین مرتبه در بخش بهداشت و با شروع در حوزه DNA نوترکیب استفاده شد.

یک دهه بعد، همان رویکردهای مولکولی به صنایع کشاورزی و غذایی رسید، البته نه بدون بحث. سرانجام، بیوتکنولوژیست‌ها شروع به غنی‌سازی قابلیت‌های فرآیندهای میکروبی صنعتی با آوردن ژن‌های جدید به کاتالیزورهای زنده و اصلاح ژنوم آنها برای مطابقت با نیازهای تولیدی از پیش تعیین‌شده کردند. اگرچه چنین عملیاتی به عنوان مهندسی ژنتیک تلقی می‌شد، اما در واقعیت جنبه‌های مهندسی بیشتر استعاره بود تا واقعیت. در عوض، چیزی که می‌توانیم آن را بریکولاژ ژنتیکی (آزمون و خطا) بدانیم برای مدت طولانی با موفقیت در این زمینه تسلط داشت.

با این حال، ورود بیولوژی سیستم‌ها در پایان دهه 1990 و ظهور زیست‌شناسی مصنوعی در اوایل دهه 2000، بازی طراحی میکروارگانیسم‌ها و حتی سیستم‌های زنده بالاتر را به عنوان عاملی برای تبدیل مواد اولیه در مقیاس صنعتی به طور کامل تغییر داد.

در مطالعات انجام شده توسط مجمع جهانی اقتصاد، بیوتکنولوژی به عنوان یکی از فناوری‌های اصلی که آینده را هدایت می‌کند، معرفی شده است.  این به معنای این است که متخصصان این حوزه باید تغییرات را رعایت کنند و در مسیر حرفه‌ای شدن گام بردارند

منشاء محصولات با ارزش میکرو ارگانیسم‌هایی که قادر به تولید انواع مواد شیمیایی با اهمیت صنعتی هستند، از جمله اسیدهای دی کربوکسیلیک (اسید سوکسینیک و اسید آدیپیک)، دیول‌ها (1،3-پروپاندیول و 1،4-بوتاندیول)، دی‌آمین‌ها (پوترسین و کاداورین) و بسیاری دیگر ساخته شده‌اند.

برخی از باکتری‌ها و مخمرها که مدت‌ها توسط صنعت شناخته می‌شد، اکنون می‌توانند به صورت ژنتیکی برنامه‌ریزی و تغییر کاربری داده شوند؛ به عنوان مثال می‌توان برای تولید لیپیدهایی که به عنوان پیش‌سازهای سوخت زیستی عمل می‌کنند. حتی مواد شیمیایی غیرطبیعی مانند بنزین و اسید ترفتالیک هم اکنون می‌توانند با مهندسی متابولیک تولید شوند.

علاوه بر این، بیوتکنولوژی معاصر مواد زیستی از جمله پلی ساکاریدها (سلولز میکروبی)، پروتئین‌ها (ابریشم عنکبوت) و حتی پلیمرهای مصنوعی سابق (پلی لاکتات و پلی [لاکتات-کو-گلیکولات]) را با تخمیر میکروارگانیسم‌های مهندسی شده تولید کرده است. برخی از سویه‌ها با موفقیت برای تولید پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها، خانواده‌ای از پلی استرهای زیستی متنوع، برای کاربرد در بسته‌بندی‌های سازگار با محیط زیست، دارو و مواد هوشمند طراحی شده‌اند.

علاوه بر این، پردازش زیستی نوآورانه به طور فزاینده‌ای بر اساس ویژگی‌های غیرمعمول سیستم‌های بیولوژیکی موجود (به عنوان مثال اکسترموفیل‌ها) برای اجرای تخمیرها، به عنوان مثال در آب دریا و شرایط غیر استریل، توسعه می‌یابد. بیهوده نیست، مهندسی متابولیک هدایت‌شده سیستمی توسط WEF (مجمع جهانی اقتصاد) به عنوان یکی از 10 فناوری نوظهور برتر سال 2016 انتخاب شد.

در مطالعه توسعه‌یافته توسط مجمع جهانی اقتصاد، بیوتکنولوژی را به عنوان یکی از فناوری‌های اصلی که آینده را هدایت می‌کند، معرفی شده است.  این به معنای این است که متخصصان این حوزه باید تغییرات را رعایت کنند و در مسیر حرفه‌ای شدن گام بردارند. قدرت دیجیتالی‌شدن، بیوتکنولوژی را قادر به توسعه کرده است. محصولات جدید بیوتکنولوژی و فرآیندهای حاصل از پردازش و درک اطلاعات ژنتیکی میکروارگانیسم‌ها با استفاده از شیوه‌های صنعت 4.0، همگرایی نوآوری‌ها را تشدید کرده است.

با این حال، علی‌رغم این موفقیت‌ها، صنایع شیمیایی و تولیدی هنوز تا حد زیادی تمایلی به اتخاذ تحولات زیستی و شیوه‌های الهام‌گرفته از علوم زیستی ندارند که می‌تواند بسیاری از فرآیندهای موجود مبتنی بر نفت را تحت کنترل درآورد. عامل محدود کننده در این بین، دشواری تبدیل عملیات در مقیاس آزمایشگاهی به معادل‌های اقتصادی با اندازه صنعتی است. ناپایداری کاتالیزورهای زنده، مصرف حجم زیاد آب و مشکلات در فرآوری پایین‌دست، چیزی را که در بسیاری از موارد، یک انتقال خوشایند در روش‌های تولید خواهد بود، بازداشته است.

بنابراین آیا بیوتکنولوژی پیشرفته محدود به تولید مقادیر کمی از مولکول‌های با ارزش افزوده بالا است؟ برای غلبه بر بن‌بست انقلاب صنعتی چهارم، باید به مسائل مختلفی چه در بعد بیولوژیکی و چه در بعد صنعتی پرداخت.

آیا بیوتکنولوژی پیشرفته محدود به تولید مقادیر کمی از مولکول‌های با ارزش افزوده بالا است؟ برای غلبه بر بن‌بست انقلاب صنعتی چهارم، باید به مسائل مختلفی چه در بعد بیولوژیکی و چه در بعد صنعتی پرداخت

پایداری ژنومی و فنوتیپی کاتالیزورهای زنده برای تطبیق کارایی فرآیندهای زیستی با فرآیندهای موجود در قلمروی صرفا شیمیایی، بسیار مهم است. این فقط یک مشکل فنی نیست، بلکه یک سوال اساسی علمی است که باید به آن پرداخته شود. تأثیر متقابل استرس در برابر ثبات کروموزوم (از جمله دستگاه‌های ژنتیکی کاشته شده) در شرایط تولید باید به طور گسترده مورد بررسی قرار بگیرد و رویکردهای جدیدی برای کنترل آن ایجاد شود.

در این میان، سیستم‌های تولید بدون سلول ممکن است راه‌حلی موقت برای چالش پیش‌بینی‌پذیری ارائه دهند. سوالات بیولوژیکی اضافی مانند بیان ژن در شرایط آب غیر اشباع، فیزیولوژی در تراکم سلولی بسیار بالا و به حداقل رساندن بقایای سلولی به دلیل فروکش خود به خودی مطمئنا به جذاب‌تر کردن فرآیندهای زیستی برای صنایع بزرگ کمک می‌کند.

با تشویق به بررسی چگونگی تولید ترکیبات در مقادیر زیاد برخی از سیستم های طبیعی، فضای کافی برای بهبود این وضعیت وجود دارد. به عنوان مثال، آیا نمی‌توانیم از بهره‌وری فوق‌العاده پستان گاو الهام بگیریم، زیرا نوع متفاوتی از بیوراکتور با آب بسیار کم، عملکرد استریل و عملکرد آسان طراحی می‌کنیم؟ منطق مهندسی که این سیستم ها را تا این حد کارآمد می کند چیست؟

فراتر از تلاش برای تطبیق کاتالیزورهای بیولوژیکی با پلتفرم های موجود، چیزهای زیادی برای یادگیری از چنین راکتورهای بیولوژیکی بهینه تکامل یافته وجود دارد. تولید در محل مورد نیاز یا در نقطه مراقبت همچنین نیازمند مفاهیم جدیدی برای تولید بیومولکول‌ها در محیط‌های کوچک و قابل حمل است که مطمئناً با آنچه اکنون داریم متفاوت خواهد بود.

در نهایت، بیوتکنولوژی مدرن چیزهای زیادی برای غلبه بر بیگانگی بین متابولیسم صنعتی جهانی و چرخه‌های ژئوبیوشیمیایی بیوسفر دارد. زباله‌های توسعه‌ صنعتی، کشاورزی و شهری کنترل‌نشده، مقادیر زیادی گازهای گلخانه‌ای، پلاستیک‌های غیرقابل تجزیه، ریزآلاینده‌ها، عدم تعادل عمده نیتروژن و فسفر و حجم غیرقابل کنترلی از باقیمانده‌های لیگنوسلولزی را تولید کرده است.

میکروبیوم محیطی جهانی می‌تواند به متحد اصلی ما برای اتصال مجدد چنین زباله‌های انسانی با چرخه عناصری که سیاره ما را اداره می‌کنند تبدیل شود. اگر چند واکنش شیمیایی (مثلا فرآیند هابر-بوش برای تثبیت نیتروژن) بتواند اکولوژی سیاره ما را تغییر دهد، می‌توانیم راه‌هایی را برای کاهش تأثیر خود با به‌کارگیری مداخلات زیستی در مقیاس بزرگ با هدف بازگرداندن تعادل‌های زیست محیطی قبلی بررسی کرده و یکی جدید آن را ایجاد کنیم.

البته، این یک آزمایش آکادمیک صرف نیست، بلکه یک ماموریت چند لایه است که بسیاری از سهامداران را درگیر می‌کند و نیازمند حکمرانی دقیق است. با این حال، با توجه به چالش‌های زیست‌محیطی خارق‌العاده‌ای که نسل بعدی با آن مواجه است، بی‌عملی و کسب و کار معمولی مطمئناً بالاترین خطر را به همراه دارد.