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为了在2050年养活世界,我们需要建造那些进化2号站代理中没有的植物

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我们需要在未来30年里彻底改革农业。到2050年,我们可能有近100亿人要养活。现有的农业已经使农田退化,气候变化给农作物和牲畜带来了新的压力。
 
用我们现有的工具,我们无法足够快地培育出新的品种和品种来应付迅速变化的条件。我们如何在不确定的环境中获得高产量,在不使用更多土地的情况下生产更多粮食?
 
部分答案是合成生物学:使用先进的基因技术来构建进化中从未有过的有机体。合成生物学已经取得了一些成功,比如把酵母变成小型化工厂,让棉花具有合成纤维的品质。
 
在CSIRO,我们已经使用合成生物学来生产高能量的牲畜饲料。我们的科学家已经“开启”了植物茎叶的高产油量,这可能使它们产出的油量增加两倍。
 
但这些例子仅仅是个开始。
 
什么是合成生物学?
 
合成生物学将工程理论应用于生物系统。它依赖于一套标准的生物“部件”,比如基因,这些“部件”可以组合起来,产生复杂的亚细胞机器、电路、设备,甚至整个细胞和复杂的工程生物体。
 
这意味着细胞和其他生物系统可以像电路板一样设计。在其他工程领域取得成功的方法——如设计-建造-测试-学习循环、机器人装配系统和使用人工智能算法从大型数据集中提取意义——现在可以用于生命本身,以迅速改善工程生物体。
 
除了进化
 
进化允许植物和动物通过随机突变和自然选择来探索它们遇到问题的各种不同的解决方案。
 
例如,呼吸可以有几种不同的方式,其中一些比我们的肺更有效。进化并不一定会为一个问题提供最好的解决方案——它只会提供一个让有机体在特定的生态位中生存的方案。
 
因此,对于任何给定的问题,可能存在比生物学中已有的解决方案更好的解决方案。合成生物学让我们能够比进化更快地探索这个未经测试的“解决方案空间”——以周或月为单位,而不是以年或千年为单位。
 
因此,合成生物学允许我们探索那些进化从未涉足的领域——在某些情况下,2号站注册登录可能永远也不会涉足。这意味着我们可以达到选择来满足人类需求的结果,而不是进化的压力。
 
改变系统
 
为了充分利用合成生物学,有几个系统性的挑战需要解决。
 
我最近与来自世界各地的同事会面,探讨农业合成生物学的这些挑战,我们刚刚在《自然植物》(Nature Plants)杂志上发表了我们的结论。
 
我们一致认为,合成生物学正在改变的不仅是我们所提供的东西,还有我们从事这类科学的方式。
 
设计高通量的生物工程实验与我们以前使用的定制、大师-工匠方法有很大的不同。它需要在相对较短的时间内发生观念和文化上的转变。大学需要更新他们的教学计划以跟上步伐。
 
阅读更多:一个获得正确监管和参与的新机会——以合成生物学为例
 
我们还需要建立机器人基础设施(被称为“biofoundries”),创建处理测试的更快的分析系统,并开发新的数据分析方法和机器学习算法。最近成立了一个全球生物处理联盟,以帮助推动这一科学的快速发展。
 
对我们要设计的系统的基本原理的基础研究也必须得到支持。除非我们了解我们正在修改的系统,否则我们无法有效地进行工程。有效地设计一个系统有助于我们对这个系统的理解。
 
最后,我们必须确保围绕合成生物学的社会、法律、伦理、监管和制度问题在开发和部署这些技术的同时得到解决。
 
澳大利亚的机遇
 
澳大利亚已经认识到了合成生物学的重要性。澳大利亚国家科学机构CSIRO于2016年建立了合成生物学未来科学平台,以构建我们的合成生物学能力。这是一个耗资6000万澳元的研发项目,有45个国家和国际合作伙伴。
 
它包括对社会科学的强大投资和负责任的创新。澳大利亚学术委员会(Australian Council of Learned Academies)于2018年发布了一份合成生物学道路测绘报告,澳大利亚研究委员会(Australian Research Council)刚刚向ARC合成生物学卓越中心投资了3500万澳元。

在CSIRO,合成生物学正被用于制造具有合成纤维特性的棉花,如有弹性、无折痕甚至防水。这就避免了使用石化产品,而且棉花仍然是可生物降解的。
 
在昆士兰大学,我们正在设计酵母——用于制造啤酒、葡萄酒和面包的酵母——来制造可持续的农业化学品。这些化学物质可以改变作物及其与根部微生物的联系,从而使它们更有效地吸收营养。其目的是增加农作物的产量。
 
我们有很多事情要做,而且时间相对较短。我们需要探索进化之外的未知领域,以解决农业面临的生存问题。我们正在开发的合成生物学工具和技术对于在充满挑战的未来提供我们所需的农业至关重要。

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