Redesign af livet for at lave ethanol

Den 31. januar sad Ari Patrinos i sin stue i Rockville, MD, lyttede til State of the Union-talen og nikkede langsomt væk. Pludselig blev han rykket vågen.

Kolonier af rekombinante Streptomyces-bakterier er designet til at producere enzymer kaldet cellulaser. Med disse enzymer kan bakterierne nedbryde cellulose på vej til at producere ethanol. (Med tilladelse fra NREL/U.S. Dept. of Energy/Photo Researchers)

Vi vil også finansiere yderligere forskning for banebrydende metoder til fremstilling af ethanol, sagde præsident Bush i fjernsynet, ikke kun fra majs, men fra træflis og stilke eller skiftegræs. Vores mål er at gøre denne nye form for ethanol praktisk og konkurrencedygtig inden for seks år.

Denne historie var en del af vores juli-udgave 2006

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I modsætning til de fleste af de lovgivere, der vildt bifaldt præsidentens ord, forstod Patrinos præcis, hvad de mente. Faktisk havde han selv styrtet dem af sig selv dage tidligere på berørt anmodning fra sin chef, uvidende om, at de var bestemt til State of the Union-talen. Patrinos, dengang associeret direktør for US Department of Energy's Office of Biological and Environmental Research, havde udråbt celluloseholdig ethanol som en alternativ energikilde i årevis, kun for at blive mødt med ligegyldighed eller latterliggørelse. Nu så det ud til, at selv de mest petrovenlige politikere var overbevist.

At producere ethanolbrændstof fra biomasse er attraktivt af en række årsager. I en tid med stigende gaspriser og bekymringer over den langsigtede tilgængelighed af udenlandsk olie, synes den indenlandske forsyning af råvarer til fremstilling af biobrændstoffer næsten ubegrænset. I mellemtiden forventes mængden af ​​kuldioxid, der årligt dumpes i atmosfæren ved afbrænding af fossile brændstoffer, at stige på verdensplan fra omkring 24 milliarder tons i 2002 til 33 milliarder tons i 2015. Afbrænding af en gallon ethanol tilføjer på den anden side kun lidt til det samlede kulstof i atmosfæren, da den kuldioxid, der afgives i processen, er nogenlunde lig med den mængde, der absorberes af planterne, der bruges til at producere den næste gallon.

Multimedier

• Video: Forskere udtaler sig om truslen fra global opvarmning og hvordan man håndterer den.

At bruge ethanol til autobrændstof er næppe nogen ny idé (se Brasiliens dusør) . Siden energikrisen i begyndelsen af ​​1970'erne har skatteincitamenter skubbet ethanolproduktionen op; i 2005 nåede den fire milliarder gallons om året. Men det svarer stadig til kun 3 procent af brændstoffet i amerikanske benzintanke. En grund til den begrænsede brug af ethanol er, at det i USA næsten udelukkende er lavet af majsstivelse; processen er ineffektiv og konkurrerer med andre landbrugsanvendelser af majs. Selvom det er relativt nemt at omdanne stivelsen i majskerner til de sukkerarter, der er nødvendige for at producere ethanol, er brændstofudbyttet lavt sammenlignet med mængden af ​​energi, der går til at hæve og høste afgrøderne. Forarbejdning af ethanol fra cellulose – hvede- og rishalm, skiftegræs, papirmasse, landbrugsaffaldsprodukter som majskolber og blade – har potentiale til at presse mindst dobbelt så meget brændstof fra det samme landområde, fordi der er så meget mere biomasse tilgængelig pr. hektar. Desuden ville en sådan tilgang bruge råvarer, der ellers i det væsentlige er værdiløse.

Konvertering af cellulose til ethanol involverer to grundlæggende trin: at bryde de lange kæder af cellulosemolekyler til glucose og andre sukkerarter og gære disse sukkerarter til ethanol. I naturen udføres disse processer af forskellige organismer: svampe og bakterier, der bruger enzymer (cellulaser) til at frigøre sukkeret i cellulose, og andre mikrober, primært gær, der fermenterer sukker til alkohol.

I 2004 begyndte Iogen, en canadisk bioteknologivirksomhed med base i Ottawa, at sælge beskedne mængder celluloseholdig ethanol, fremstillet ved hjælp af almindelig hvedehalm som råmateriale og en tropisk svamp, der er genetisk forbedret til at hyperproducere sine cellulose-fordøjende enzymer. Men Iogen anslår, at dets første kommercielle anlæg i fuld skala, som det håber at gå i stykker for i 2007, vil koste 300 millioner dollars – fem gange prisen for et konventionelt majsfodret ethanolanlæg af lignende størrelse.

Jo mere man kan fifle med de ethanolproducerende mikrober for at reducere antallet af trin i omdannelsesprocessen, jo lavere omkostninger vil det være, og jo hurtigere bliver celluloseholdig ethanol kommercielt konkurrencedygtig. I konventionel produktion skal ethanol for eksempel løbende fjernes fra fermenteringsreaktorer, fordi gæren ikke kan tåle for meget af det. MITs Greg Stephanopoulos, professor i kemiteknik, har udviklet en gær, der kan tåle 50 procent mere ethanol. Men, siger han, sådan genteknologi involverer mere end blot at splejse et gen eller to. Spørgsmålet er ikke, om vi kan lave en organisme, der laver ethanol, siger Stephanopoulos. Det er sådan, vi kan konstruere et helt netværk af reaktioner for at omdanne forskellige sukkerarter til ethanol ved høje udbytter og produktivitet. Ethanol-tolerance er en egenskab ved systemet, ikke et enkelt gen. Hvis vi vil øge det samlede udbytte, er vi nødt til at manipulere mange gener på samme tid.

Den ideelle organisme ville klare det hele - nedbryde cellulose som en bakterie, fermentere sukker som en gær, tolerere høje koncentrationer af ethanol og afsætte de fleste af sine metaboliske ressourcer til kun at producere ethanol. Der er to strategier til at skabe sådan en fejl til alle formål. Den ene er at modificere en eksisterende mikrobe ved at tilføje ønskede genetiske veje fra andre organismer og slå uønskede ud; den anden er at starte med den rene tavle af en afklebet syntetisk celle og bygge et tilpasset genom næsten fra bunden.

Lee Lynd, en ingeniørprofessor ved Dartmouth University, satser på den første tilgang. Han og hans kolleger ønsker at samle de mange biologisk medierede trin, der er involveret i ethanolproduktion, til ét. Dette er et potentielt spilskiftende gennembrud inden for lavprisbehandling af celluloseholdig biomasse, siger han. Strategien kunne indebære enten at modificere en organisme, der naturligt omsætter cellulose, så den producerer høje udbytter af ethanol, eller at konstruere en naturlig ethanolproducent, så den omsætter cellulose.

I maj rapporterede Lynd og hans kolleger om fremskridt på begge fronter. Et hold fra University of Stellenbosch i Sydafrika, der havde samarbejdet med Lynd, annoncerede, at det havde designet en gær, der kan overleve på cellulose alene, nedbryde de komplekse molekyler og fermentere de resulterende simple sukkerarter til ethanol. Samtidig rapporterede Lynds gruppe om at udvikle en termofil bakterie - en, der naturligt lever i højtemperaturmiljøer - hvis eneste gæringsprodukt er ethanol. Andre organismer er blevet konstrueret til at udføre lignende svig ved normale temperaturer, men Lynds rekombinante mikrobe gør det ved de høje temperaturer, hvor kommercielle cellulaser fungerer bedst. Vi er meget tættere på kommerciel brug, end folk tror, ​​siger Lynd, der kommercialiserer avanceret ethanolteknologi hos Mascoma, en startup i Cambridge, MA.

Andre følger en langt mere radikal tilgang. Kort efter State of the Union-talen forlod Patrinos DOE for at blive præsident for Synthetic Genomics, en startup i Rockville, MD, grundlagt af Craig Venter, den ikonoklastiske biolog, der ledede den private indsats for at afkode det menneskelige genom. Synthetic Genomics er på jagt efter en bakterie, der vil gøre alt, som Venter udtrykker det. Med finansiering fra Synthetic Genomics tilføjer og trækker forskere ved J. Craig Venter Institute gener fra naturlige organismer ved hjælp af de rekombinante teknikker, der anvendes af andre mikrobielle ingeniører. På sigt regner Venter dog med en tilgang, der er mere i tråd med hans ry som banebrydende. I stedet for at modificere eksisterende organismer til at producere ethanol og andre potentielle biobrændstoffer, ønsker han at bygge nye.

Naturlig selektion, hævder Venter, designer ikke livsformer til effektivt at udføre de mangfoldige funktioner, deres gener koder for, meget mindre for at udføre en dedikeret opgave som ethanolproduktion. Som følge heraf går der en enorm indsats og udgifter til at finde ud af, hvordan man lukker ned for komplekse, ofte overflødige genetiske veje, som milliarder af års evolution har ætset ind i organismer. Hvorfor ikke starte med et genom, der kun har det minimale antal gener, der er nødvendigt for at opretholde liv og tilføje det, du har brug for? Med en syntetisk celle har man kun de veje derinde, som man gerne vil være derinde, siger han.

Synthetic Genomics’ tilgang er baseret på forskning, som Venters Institut for Genomisk Forskning har udført på en mikroorganisme kaldet Mycoplasma genitalium i slutningen af ​​1990'erne. Mikroben, som bor i menneskets urinveje, har kun 517 gener. Selvom det er det mindste genom set i nogen livsform, der er kendt, viste forskere i Venters gruppe, at organismen kunne overleve, selv efter at de havde slået næsten halvdelen af ​​dens proteinkodende gener ud (nogle gener koder ikke for proteiner, men for andre biomolekyler, der udfører regulering fungerer i cellen). Ved at bruge DNA-sekvensen af ​​dette minimale genom som en guide, forsøger de nu at syntetisere et kunstigt kromosom, der, indsat i en udhulet celle, vil føre til en levedygtig livsform. Når de er over denne første forhindring, planlægger de at bygge syntetiserede, opgavespecifikke genetiske veje ind i genomet, på samme måde som man kan indlæse software til en computers operativsystem. I stedet for at lave regneark eller lave tekstbehandling, ville sådan biologisk baseret software imidlertid instruere cellen i at nedbryde cellulose for at producere ethanol eller udføre andre nyttige funktioner. Det er et helt nyt felt på randen af ​​eksplosion, siger Venter.

Blandt biobrændstoffer er ethanol den etablerede frontløber, men forskellige typer mikrober producerer også brint, metan, biodiesel og endda elektricitet - hvilket betyder, at de kan gensplejses til at producere flere af disse ressourcer. På University of California, Berkeley, foreslår bioingeniøren Jay Keasling og hans kolleger at designe organismer, der pumper et brændstof ud, som ingen naturlig mikrobe laver, et brændstof, der tilbyder nogle lokkende fordele i forhold til ethanol: benzin. Dets dyder som brændstof er naturligvis bevist, og evnen til at producere det fra affaldstræ og affaldspapir, som Keasling mener er muligt, kan mindske landes afhængighed af udenlandsk olie. Og i modsætning til ethanol, som er vandopløseligt og skal transporteres i lastbiler, for at det ikke opsamler vand i rør, kan biologisk genereret oktan på en økonomisk måde føres til forbrugerne, ligesom nutidens gas.

Ethanol har en plads, men det er nok ikke det bedste brændstof på lang sigt, siger Keasling. Folk har brugt det i lang tid til at lave vin og øl. Men der er ingen grund til, at vi skal nøjes med et 5.000 år gammelt brændstof.

På kort sigt er der behov for nogle fremskridt inden for biologi og teknik, før brændstoffer fremstillet af biomasse vil være praktiske og konkurrencedygtige med fossile brændstoffer. Men på længere sigt, siger Venter, er vi mest begrænset af vores fantasi, ikke af biologiens grænser.

Jamie Shreeves seneste bog er Genomkrigen .

skjule