เราต้องปฏิวัติการเกษตรในอีก 30 ปีข้างหน้า ในปี 2050 เราอาจมีประชากรเกือบ 10,000 ล้านคนที่ต้องเลี้ยงดู พื้นที่การเกษตรเสื่อมโทรมลงแล้วเนื่องจากการเกษตรที่มีอยู่ และการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้สร้างแรงกดดันใหม่ต่อพืชผลและปศุสัตว์ ด้วยเครื่องมือที่เรามีตอนนี้ เราไม่สามารถสร้างสายพันธุ์และสายพันธุ์ใหม่ได้เร็วพอที่จะรับมือกับสภาวะที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เราจะได้ผลผลิตสูงในสภาพแวดล้อมที่ไม่แน่นอนและผลิตอาหารได้มากขึ้นโดยไม่ต้องใช้ที่ดินมากขึ้นได้อย่างไร
ส่วนหนึ่งของคำตอบคือชีววิทยาสังเคราะห์ การใช้เทคโนโลยีทาง
พันธุกรรมที่ล้ำสมัยเพื่อสร้างสิ่งมีชีวิตที่วิวัฒนาการไม่เคยทำได้ ชีววิทยาสังเคราะห์ประสบความสำเร็จมาแล้ว เช่น การเปลี่ยนยีสต์เป็นโรงงานเคมีขนาดเล็ก และทำให้ฝ้ายมีคุณสมบัติเหมือนใยสังเคราะห์
ที่ CSIRO เราใช้ชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อ ผลิตอาหารที่ อุดมด้วยพลังงานสำหรับปศุสัตว์ นักวิทยาศาสตร์ของเราได้ “เปิด” การผลิตน้ำมันสูงในลำต้นและใบของพืช ซึ่งอาจเพิ่มปริมาณน้ำมันที่ผลิตได้สามเท่า
ชีววิทยาสังเคราะห์ใช้ทฤษฎีทางวิศวกรรมกับระบบทางชีววิทยา มันอาศัยชุดมาตรฐานของ “ชิ้นส่วน” ทางชีวภาพ เช่น ยีนที่สามารถรวมกันเพื่อสร้างเครื่องจักรเซลล์ย่อยที่ซับซ้อน วงจรไฟฟ้า อุปกรณ์ และแม้แต่เซลล์ทั้งหมดและสิ่งมีชีวิตที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมที่ซับซ้อน
ซึ่งหมายความว่าเซลล์และระบบชีวภาพอื่นๆ สามารถออกแบบได้เหมือนแผงวงจรไฟฟ้า วิธีการที่ประสบความสำเร็จในด้านอื่นๆ ของวิศวกรรม เช่น การออกแบบ-สร้าง-ทดสอบ-เรียนรู้ ระบบการประกอบหุ่นยนต์ และการใช้อัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์เพื่อดึงความหมายจากชุดข้อมูลขนาดใหญ่ สามารถนำมาใช้กับสิ่งมีชีวิตเพื่อปรับปรุงสิ่งมีชีวิตทางวิศวกรรมได้อย่างรวดเร็ว .
วิวัฒนาการทำให้พืชและสัตว์สามารถสำรวจวิธีแก้ปัญหาต่างๆ ที่พวกเขาพบผ่านการกลายพันธุ์แบบสุ่มและการคัดเลือกโดยธรรมชาติ
ตัวอย่างเช่นการหายใจสามารถทำงานได้หลายวิธี และบางวิธีมีประสิทธิภาพมากกว่าปอดของเรามาก วิวัฒนาการไม่จำเป็นต้องให้วิธีแก้ปัญหาที่ดีที่สุด – มันแค่ให้สิ่งที่ช่วยให้สิ่งมีชีวิตอยู่รอดในช่องที่กำหนด
ดังนั้นสำหรับปัญหาใด ๆ ก็ตาม อาจมีวิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่าที่มีอยู่แล้วในวิชาชีววิทยา ชีววิทยาสังเคราะห์ช่วยให้เราสำรวจ “พื้นที่การแก้ปัญหา” ที่ยังไม่ทดลองนี้ได้เร็วกว่าวิวัฒนาการมาก
โดยใช้เวลาเป็นสัปดาห์หรือเป็นเดือน แทนที่จะเป็นปีหรือเป็นพันปี
ชีววิทยาสังเคราะห์ช่วยให้เราสามารถสำรวจสถานที่ซึ่งวิวัฒนาการไม่เคยไป และในบางกรณีอาจจะไม่เคยไป หมายความว่าเราสามารถบรรลุผลที่ได้รับเลือกเพื่อตอบสนองความต้องการของมนุษย์ แทนที่จะเป็นแรงกดดันจากวิวัฒนาการ
การเปลี่ยนระบบ
เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุดจากชีววิทยาสังเคราะห์ มีความท้าทายเชิงระบบหลายประการที่ต้องได้รับการแก้ไข
ฉันเพิ่งพบกับเพื่อนร่วมงานจากทั่วโลกเพื่อสำรวจความท้าทายเหล่านี้สำหรับชีววิทยาสังเคราะห์ทางการเกษตร และเราเพิ่งเผยแพร่ข้อสรุปของเราในNature Plants
เราเห็นพ้องต้องกันว่าชีววิทยาสังเคราะห์กำลังเปลี่ยนแปลง ไม่ใช่แค่สิ่งที่เรานำเสนอ แต่วิธีที่เราทำวิทยาศาสตร์ประเภทนี้ด้วย
การออกแบบการทดลองทางวิศวกรรมชีวภาพที่ให้ปริมาณงานสูงนั้นค่อนข้างแตกต่างจากแนวทางของช่างฝีมือระดับปรมาจารย์ที่เราเคยใช้มาก่อนหน้านี้ มันต้องการการเปลี่ยนแปลงทางแนวคิดและวัฒนธรรมที่ต้องเกิดขึ้นในกรอบเวลาที่ค่อนข้างสั้น มหาวิทยาลัยจะต้องปรับปรุงโปรแกรมการสอนให้ทันสมัยเพื่อให้ทัน
อ่านเพิ่มเติม: โอกาสใหม่ที่จะได้รับการควบคุมและการมีส่วนร่วมที่ถูกต้อง – กรณีของชีววิทยาสังเคราะห์
นอกจากนี้ เรายังจำเป็นต้องสร้างโครงสร้างพื้นฐานด้านหุ่นยนต์ (เรียกว่า “โรงหล่อชีวภาพ”) สร้างระบบวิเคราะห์ที่เร็วขึ้นเพื่อจัดการกับการทดสอบ และพัฒนาวิธีการวิเคราะห์ข้อมูลและอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องแบบใหม่ เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้มีการจัดตั้ง พันธมิตรระดับโลกของโรงหล่อชีวภาพเพื่อช่วยผลักดันวิทยาศาสตร์นี้ไปข้างหน้าอย่างรวดเร็ว
จะต้องได้รับการสนับสนุนการวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับหลักการพื้นฐานของระบบที่เรามุ่งสร้างวิศวกรรม เราไม่สามารถออกแบบได้อย่างมีประสิทธิภาพเว้นแต่เราจะเข้าใจระบบที่เรากำลังแก้ไข วิศวกรรมระบบอย่างมีประสิทธิภาพจะช่วยให้เราเข้าใจระบบนั้น
ประการสุดท้าย เราต้องแน่ใจว่าประเด็นทางสังคม กฎหมาย จริยธรรม ข้อบังคับ และสถาบันที่เกี่ยวข้องกับชีววิทยาสังเคราะห์ได้รับการแก้ไขควบคู่ไปกับการพัฒนาและการใช้เทคโนโลยีเหล่านี้
โอกาสสำหรับออสเตรเลีย
ออสเตรเลียได้ตระหนักถึงความสำคัญของชีววิทยาสังเคราะห์ CSIRO ซึ่งเป็นหน่วยงานด้านวิทยาศาสตร์แห่งชาติของออสเตรเลียได้จัดตั้งแพลตฟอร์มวิทยาศาสตร์ในอนาคตของชีววิทยาสังเคราะห์ในปี 2559 เพื่อสร้างความสามารถด้านชีววิทยาสังเคราะห์ของเรา ขณะนี้เป็นโครงการวิจัยและพัฒนามูลค่า 60 ล้านเหรียญออสเตรเลีย โดยมีพันธมิตร 45 รายทั้งในระดับประเทศและระดับนานาชาติ
ซึ่งรวมถึงการลงทุนที่ แข็งแกร่งในด้านสังคมศาสตร์และนวัตกรรมที่มีความรับผิดชอบ Australian Council of Learned Academies เผยแพร่รายงานแผนงานสำหรับชีววิทยาสังเคราะห์ในปี 2018 และสภาวิจัยแห่งออสเตรเลียเพิ่งลงทุน 35 ล้านดอลลาร์ออสเตรเลียในศูนย์ความเป็นเลิศด้านชีววิทยาสังเคราะห์ ARC
ที่ CSIRO มีการใช้ชีววิทยาสังเคราะห์เพื่อสร้างผ้าฝ้ายที่มีคุณสมบัติเหมือนเส้นใยสังเคราะห์เช่น ยืดหยุ่น ไม่ยับ และกันน้ำได้ เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้ปิโตรเคมี และฝ้ายยังคงย่อยสลายได้
และที่มหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ เราวิศวกรรมยีสต์ ซึ่งเป็นยีสต์ชนิดเดียวกับที่ใช้ทำเบียร์ ไวน์ และขนมปัง เพื่อสร้างสารเคมีทางการเกษตรที่ยั่งยืน สารเคมีสามารถเปลี่ยนแปลงพืชผลและความสัมพันธ์กับจุลินทรีย์ในราก ดังนั้นพวกมันจึงใช้สารอาหารได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เป้าหมายคือการเพิ่มผลผลิตของพืชผล
เรามีหลายอย่างที่ต้องทำและมีเวลาค่อนข้างสั้นที่จะทำ เราจำเป็นต้องสำรวจดินแดนที่ไม่จดแผนที่นอกเหนือจากวิวัฒนาการเพื่อแก้ปัญหาที่มีอยู่ที่เกษตรกรรมเผชิญอยู่ เครื่องมือและเทคนิคทางชีววิทยาสังเคราะห์ที่เรากำลังพัฒนาจะมีความสำคัญต่อการส่งมอบการเกษตรที่เราต้องการในอนาคตที่ท้าทาย
