合成生物学将如何影响时尚的未来

你最喜欢的一条牛仔裤最初是一串串棉纱，在滚烫的热水和大桶靛蓝染料中上下摆动。棉花经过近十几次染色循环;棉纤维首先呈现黄色，然后是绿色，最后是丰富的蓝色。

一百多年来，这个过程一直保持不变。但这种情况即将改变。

生产靛蓝依赖有毒化学物质和还原剂。生物染料，目前在第八届独立生物加速器班，创造了一种利用合成生物学而非化学物质生产靛蓝的方法。

“在牛仔布行业，被广泛接受的标准是使用靛蓝粉来染色牛仔布，因为靛蓝粉含有大量石油成分……除此之外，你还需要其他有毒的化学物质，比如甲醛和氰化物，来制造这种粉，”他说米歇尔·朱他是tintorium的联合创始人兼首席执行官。

贯穿牛仔布染色过程的棉纤维。靛蓝在棉花上氧化，反复循环后变成深蓝色。图片由tintorium, Inc.提供。

历史上，靛蓝是在印度从特定的植物中收获的，这些植物将化学物质储存在叶子中。最近一项来自英国的研究联合生物能源研究所在加州大学伯克利分校证明indigoidine，另一种蓝色色素，可以从转基因真菌中产生。但靛蓝及其衍生物的生物学生产只解决了部分问题。不管靛蓝来自哪里，仍然需要使靛蓝溶于水的有毒化合物。

“目前的部分问题是靛蓝结晶非常快，而且它不溶于水，所以你必须使用等量的水污染化学还原剂才能真正使用靛蓝并将其用作染料，”朱说。“我们的解决方案基本上解决了这两个问题，并提供了一个整体解决方案，我们在生物合成染料前体，由于我们控制了形成靛蓝的途径，因此我们不需要任何还原剂。”

具体地说，颜料使用大肠杆菌在大型生物反应器（一种工艺）中生产靛蓝的化学前体靛蓝第一次报道化学生物学性质)为了使籼聚糖水溶性，添加了一种称为β-葡萄糖苷酶的酶，该酶可产生亮氨酸，亮氨酸是用于棉纱染色的实际化学物质。传统工艺依靠连二亚硫酸钠（一种廉价但有毒的还原剂）将从植物中提取的靛蓝转化为亮氨酸。

Tintorium的过程虽然不同于规范方法，但提供了完全相同的结果。牛仔裤看起来一样，但染色所需的化学物质要少得多。Tintorium生产的亮氨酸甚至可以投入现有的染色设施，而不需要新的机器或设备。

然而，尽管牛仔业似乎已经到了变革的成熟阶段，以合成生物学为基础的靛蓝生产解决方案似乎是一个自然过程，但形成tintorium的途径却是完全出乎意料的。

一条牛仔围巾用独特的靛蓝工艺染色。图片由tintorium, Inc.提供。

“有一个项目是由一个iGEM集团，回到2013年，退出约翰·杜伯实验室．这个想法是利用靛蓝的形成来跟踪细胞中的某些过程。当靛蓝形成时，它是肉眼可见的，这在你筛选图书馆或类似的东西时很有用。在研究过程中，他们意识到为牛仔布和纺织业生产糖苷会产生巨大影响。徐泰美博士他是tintorium的联合创始人和首席技术官。徐最近在加州大学伯克利分校的John Dueber小组完成了她的博士学位。

尽管意外的开始，团队仍有雄心勃勃的计划。在完成Indie Bio计划后，他们将发起一轮种子计划，帮助开发一线产品发布——用生物靛蓝染色的高端设计师蓝色牛仔裤（你甚至可以将自己的名字添加到候补名单中）在这里）.为了实现他们的目标，团队与著名的行业专家合作，比如大卫·布雷斯劳，CSO和螺栓的线程，以及国际知名的牛仔设计师，阿德里亚诺Goldschmied．

虽然Tinctorium选择为特定问题提供解决方案——即靛蓝生产和牛仔布染色——但其他公司也受到自然界中绚丽色彩的启发，旨在在实验室中重现这些色彩，提供更广泛的染料调色板，并减少过程中的浪费。

利用大自然的调色板生产可持续染料

向海洋的珊瑚礁望去，你可能会看到鹦鹉鱼的耀眼橙色和帝王唐鱼的深蓝色。在陆地上，一大批昆虫提供了类似的颜色，有着玻璃般的蓝色和绿色阴影。这些颜色能在实验室中复制出来吗?甚至能替代每年生产的200万吨染料中的一部分吗?

菌毛被大自然的色彩所打动，正是为了做到这一点。他们的核心技术是利用生物酶将碳（来自可再生资源）转化为用于生产纺织染料的分子，从而在整个过程中减少废物和副产品。

“时装行业的染色过程是能源和水密集型的，使用的染料会污染生产，对环境有害，”PILI联合创始人兼科学总监纪尧姆·博伊桑纳特（Guillaume Boissonnat）说。“如今，一吨染料的生产需要使用1000立方米水、100吨重石油化合物和10吨有毒和腐蚀性化学品——尽管需要能源（至少200 MJ/吨）。”

那是很大的浪费。

菌毛绕过了传统上用于染料生产的化学物质，包括重金属和甲醛–发酵。编码一种酶或一系列酶的DNA在微生物中表达。细胞在生物反应器中生长，然后将碳转化为特定的染料或色素，然后提取并提纯。一系列的颜色可以通过更换酶和优化代谢工程过程产生。

这项工作并不简单，但工程细胞(PILI称之为“色细胞工厂”)可以产生明亮的颜色，可以用比色测定法进行筛选，以优化滴度并优化过程。由PILI生产的颜料也与染厂的现有设备兼容，这意味着它们可以快速大规模部署。

用PILI的生物染料生产的颜色样本。图片由PILI提供。

据PILI联合创始人兼创意总监Marie-Sarah Adenis介绍，PILI以一种不同寻常的方式开始了可持续染料生产。

“2012年，在我与合成生物学家托马斯·兰德雷恩（Thomas Landrain）的一次讨论中，[PILI]开始了，”阿德尼斯说。“我们意识到颜色生产是多么污染环境，于是有了用微生物生产染料的想法。我们在一个生物黑客空间测试了第一个概念证明。”

在这个最初的想法之后，阿德尼斯说，推广和公众参与是他们生物染料计划的关键方面。成立一家生物技术公司的动力直到很久以后才出现。

“我们制作了一个[生物学]工具包，让人们可以在家里种植自己的墨水。我们在都柏林的科学画廊、巴黎的巴士底歌剧院、伦敦和纽约的V&a举办了许多成人和儿童讲习班。公众参与是我们工作的关键，”阿德尼斯说。

“我们最终意识到，我们是在批评石油化学，但我们没有创造任何严肃的替代品……所以我们决定建立一种技术，在工业规模上真正替代石油化学。”这就是我们在2015年启动PILI的原因，将这个项目带到创业和工业层面，”阿德尼斯说。

该团队迅速扩展了他们的专业知识，以开发概念验证。首席执行官Jérémie Blache带来了商业观点，科学总监Guillaume Boissonnat帮助该公司统一了绿色化学和合成生物学，以改进其生产流程。

如今，该团队拥有十多名代谢工程师、设计师和其他科学家。在最近的一次400万美元一轮融资PILI的目标是迅速推进其生物基染料生产。

Blache说：“这笔资金将使该公司能够加强其技术领先、发酵和绿色化学工艺，生产高性能的生物基染料和颜料，并将其技术推向中试规模，以及与行业合作伙伴验证我们染料的性能。”。

一场色素流星雨，由PILI的蓝色染料制成。图片由PILI提供。

Blache估计，PILI的产量将在2020年达到千克规模，最初的产品将在一两年后销售，届时产量有望达到工业规模。

Blache说:“使用我们的生物基染料生产的产品将通过减少水和能源的使用，并摆脱在当前的颜色生产中使用的有毒化学物质和化石资源，大大减少纺织化学对环境的影响。”

PILI的进步正值时尚产业的关键时刻。环保署长期以来一直监控染料和颜料工业的某些废物，标签有些被认为是危险的基于特定的阈值。使用偶氮、三芳基甲烷和蒽醌染料的染料和颜料毒性特别大。在没有水处理技术的国家，水溶性染料容易从衣服中渗出，污染水源。为了解决这个问题，可持续的生物基染料肯定是有用的，但纺织染色过程它本身也需要改变。

幸运的是，有一家公司希望从根本上改变纺织品的染色方式——生物学再次成为主导。

对合成生物学染色工艺的再思考

地球上20%的水污染是由纺织加工造成的，而制造一条蓝色牛仔裤需要1800加仑的水. 这是制作一件衣服所需的惊人淡水量——但这个行业即将改变。

英国染色剂希望通过利用微生物的生物能力来减少整个染色过程中的水浪费。

Colorifix联合创始人兼首席执行官奥尔·亚科尼博士说:“作为剑桥大学领导的砷生物传感器项目的一部分，我们的团队带着我们的生物传感器原型前往南亚，向人们解释它是如何工作的，然后让人们列出他们认为值得监测的化学物质。”

“当我们回来[英国]和我们的作业,我们发现大部分的这些关于化学物质来自纺织业,印染是用水和化学的罪魁祸首,“Yarkoni说,然后决定使用合成生物学生产染料和减少污染物,而不是简单地监视他们。

经过几年的研究詹姆斯·阿吉奥卡博士David Nugent博士，Colorifix于2016年推出。科学进步很快，研究小组很快就找到了减少纺织业造成的环境破坏的方法，而不仅仅是生产染料。

努金特博士（左）和阿吉奥卡博士（右）在英格兰诺里奇的Colorifix实验室。图片由Colorifix提供。

“通常，[在织物上沉积染料]使用化学物质或生物产生的化合物，但不使用生物制剂。我们使用细胞本身来产生色素并将其沉积到纤维中，因此我们在整个过程中都使用生物学。这样做可以节约水和能源并去除化学物质。我们使用生物学来转移这些色素色素和染料进入纤维，”Yarkoni解释道。

到目前为止，Colorifix已经开发出一套颜色，每种颜色都来自天然色素。

“我们今天的大多数色素来自昆虫、一些微生物、鸟类等等。是的，我们现在正在到处寻找颜料。我们也做了一些来自水下生物的颜料，”Yarkoni说，他很快指出，colorfix的真正好处是其独特的染色过程，比生产生物颜料更重要。

在一个之前接受《Vogue》澳大利亚版的采访Yarkoni强调，他们的染色过程可以减少10倍的水和20%的能源消耗，这主要是因为该公司使用糖蜜(一种糖类副产品)来喂养产生色素的微生物，并用生物本身取代了固定化学物质。正常的纺织品染色过程经常在非常高的温度下进行——远远超过100摄氏度——这需要消耗大量的能源。Colorifix的微生物可以在37度染色，然后在100度以下被热灭活，这节省了能源。但该公司并不打算就此止步。

来自Colorifix生物染色工艺的彩色纺织品样品。图片由Colorifix提供。

Yarkoni宣布:“关于水，我们很高兴地说，我们现在已经成功地使用盐水进行发酵和染色，所以我们现在在过程中不需要接触淡水。”

这对纺织业来说是一个巨大的飞跃，在整个染色过程中可以节省数千加仑的淡水。最棒的是，尽管节约了能源和水，但纺织品的染色工艺基本上没有改变。

“我们的染液基本上进入了他们现有的染色机——它们都是兼容的——所以他们所需要做的就是改变进入机器的染液，”Yarkoni说，他指的是用于给衣服染色的化学品水溶液。“唯一的区别是[染色设备]可以去除所有其他化学物质，因为有机体在没有这些化学物质的情况下固定染料并染色织物。”

从牛仔布到染料，以及两者之间的一切，合成生物公司都在回应来自一个浪费行业的呼吁。像Tintorium、PILI和Colorifix这样的公司正在寻找替代方法，生产出同样的充满活力的颜色，在不增加毒性、化学品和污染的情况下吸引消费者。

我们正在进入时尚业的一个关键时刻，以生物为基础的、可持续的替代品将成为新的时尚。

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