Omdesign av livet för att göra etanol

Den 31 januari satt Ari Patrinos i sitt vardagsrum i Rockville, MD, lyssnade på State of the Union-talet och nickade sakta bort. Plötsligt blev han vaken.

Kolonier av rekombinanta Streptomyces-bakterier är utformade för att producera enzymer som kallas cellulaser. Med dessa enzymer kan bakterierna bryta ner cellulosa på väg att producera etanol. (Med tillstånd av NREL/U.S. Dept. of Energy/Photo Researchers)

Vi kommer också att finansiera ytterligare forskning för banbrytande metoder för att producera etanol, sa president Bush på tv, inte bara från majs utan från träflis och stjälkar eller växelgräs. Vårt mål är att göra denna nya typ av etanol praktisk och konkurrenskraftig inom sex år.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2006

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Till skillnad från de flesta av de lagstiftare som applåderade spelmässigt presidentens ord, förstod Patrinos exakt vad de menade. Faktum är att han själv hade slagit iväg dem själv flera dagar tidigare på upprörd begäran från sin chef, omedveten om att de var avsedda för State of the Union-talet. Patrinos, då biträdande direktör för det amerikanska energidepartementets kontor för biologisk och miljöforskning, hade hyllat cellulosaetanol som en alternativ energikälla i flera år, bara för att mötas av likgiltighet eller förlöjligande. Nu verkade det som att även de mest petrovänliga politikerna var övertygade.

Att producera etanolbränsle från biomassa är attraktivt av flera skäl. I en tid av skyhöga gaspriser och oro över den långsiktiga tillgången på utländsk olja, verkar den inhemska tillgången på råvaror för tillverkning av biobränslen nästan obegränsad. Samtidigt förväntas mängden koldioxid som årligen dumpas i atmosfären genom förbränning av fossila bränslen öka världen över från cirka 24 miljarder ton 2002 till 33 miljarder ton 2015. Att bränna en liter etanol, å andra sidan, tillför lite till det totala kolet i atmosfären, eftersom koldioxiden som avges i processen är ungefär lika med den mängd som absorberas av växterna som används för att producera nästa gallon.

Multimedia

• Video: Forskare talar ut om hotet från global uppvärmning och hur man hanterar det.

Att använda etanol för bilbränsle är knappast någon ny idé (se Brasiliens Bounty) . Sedan energikrisen i början av 1970-talet har skattelättnader drivit upp etanolproduktionen; 2005 nådde den fyra miljarder gallon per år. Men det motsvarar fortfarande bara 3 procent av bränslet i amerikanska bensintankar. En anledning till den begränsade användningen av etanol är att den i USA nästan uteslutande tillverkas av majsstärkelse; processen är ineffektiv och konkurrerar med andra jordbruksanvändningar av majs. Även om det är relativt lätt att omvandla stärkelsen i majskärnor till de sockerarter som behövs för att producera etanol, är bränsleutbytet lågt jämfört med mängden energi som går åt till att odla och skörda grödorna. Att bearbeta etanol från cellulosa – vete- och rishalm, switchgrass, pappersmassa, jordbruksavfallsprodukter som majskolvar och löv – har potential att pressa ut minst dubbelt så mycket bränsle från samma markområde, eftersom så mycket mer biomassa finns tillgänglig per tunnland. Dessutom skulle ett sådant tillvägagångssätt använda råvaror som annars är väsentligen värdelösa.

Att omvandla cellulosa till etanol innebär två grundläggande steg: att bryta de långa kedjorna av cellulosamolekyler till glukos och andra sockerarter, och jäsa dessa sockerarter till etanol. I naturen utförs dessa processer av olika organismer: svampar och bakterier som använder enzymer (cellulaser) för att frigöra sockret i cellulosa, och andra mikrober, främst jästsvampar, som fermenterar socker till alkohol.

2004 började Iogen, ett kanadensiskt bioteknikföretag baserat i Ottawa, sälja blygsamma mängder cellulosaetanol, tillverkad av vanligt vetehalm som råvara och en tropisk svamp genetiskt förbättrad för att hyperproducera dess cellulosasmältande enzymer. Men Iogen uppskattar att dess första kommersiella anläggning i full skala, för vilken den hoppas kunna bryta mark 2007, kommer att kosta 300 miljoner dollar – fem gånger kostnaden för en konventionell majsmatad etanolanläggning av liknande storlek.

Ju mer man kan pilla med de etanolproducerande mikroberna för att minska antalet steg i omvandlingsprocessen, desto lägre blir kostnaderna och desto snabbare blir cellulosaetanolen kommersiellt konkurrenskraftig. I konventionell produktion, till exempel, måste etanol kontinuerligt avlägsnas från jäsningsreaktorer, eftersom jästen inte tål för mycket av det. MIT:s Greg Stephanopoulos, professor i kemiteknik, har utvecklat en jäst som tål 50 procent mer etanol. Men, säger han, sådan genteknik involverar mer än att bara splitsa in en eller två gen. Frågan är inte om vi kan göra en organism som gör etanol, säger Stephanopoulos. Det är hur vi kan konstruera ett helt nätverk av reaktioner för att omvandla olika sockerarter till etanol med hög avkastning och produktivitet. Etanoltolerans är en egenskap hos systemet, inte en enda gen. Om vi ​​vill öka den totala avkastningen måste vi manipulera många gener samtidigt.

Den ideala organismen skulle klara allt – bryta ner cellulosa som en bakterie, jäsa socker som en jäst, tolerera höga koncentrationer av etanol och ägna det mesta av sina metabola resurser till att bara producera etanol. Det finns två strategier för att skapa en sådan allsidig bugg. En är att modifiera en befintlig mikrob genom att lägga till önskade genetiska vägar från andra organismer och slå ut oönskade; den andra är att börja med den rena skivan av en avskalad syntetisk cell och bygga ett anpassat genom nästan från grunden.

Lee Lynd, ingenjörsprofessor vid Dartmouth University, satsar på det första tillvägagångssättet. Han och hans kollegor vill kollapsa de många biologiskt förmedlade stegen som ingår i etanolproduktionen till ett. Detta är ett potentiellt spelförändrande genombrott inom lågkostnadsbearbetning av cellulosabaserad biomassa, säger han. Strategin kan innebära att antingen modifiera en organism som naturligt metaboliserar cellulosa så att den producerar höga utbyten av etanol, eller konstruera en naturlig etanolproducent så att den metaboliserar cellulosa.

I maj rapporterade Lynd och hans kollegor framsteg på båda fronterna. Ett team från University of Stellenbosch i Sydafrika som hade samarbetat med Lynd meddelade att de hade designat en jäst som kan överleva enbart på cellulosa, bryta ner de komplexa molekylerna och jäsa de resulterande enkla sockerarterna till etanol. Samtidigt rapporterade Lynds grupp att de konstruerade en termofil bakterie – en som naturligt lever i högtemperaturmiljöer – vars enda jäsningsprodukt är etanol. Andra organismer har konstruerats för att utföra liknande grepp vid normala temperaturer, men Lynds rekombinanta mikrob gör det vid de höga temperaturer där kommersiella cellulaser fungerar bäst. Vi är mycket närmare kommersiell användning än vad folk tror, ​​säger Lynd, som kommersialiserar avancerad etanolteknologi på Mascoma, en startup i Cambridge, MA.

Andra har ett mycket mer radikalt tillvägagångssätt. Strax efter State of the Union-talet lämnade Patrinos DOE för att bli president för Synthetic Genomics, en startup i Rockville, MD, grundad av Craig Venter, den ikonoklastiska biologen som ledde den privata ansträngningen att avkoda det mänskliga genomet. Synthetic Genomics är på jakt efter en bakterie som kommer att göra allt, som Venter uttrycker det. Med finansiering från Synthetic Genomics lägger forskare vid J. Craig Venter Institute till och subtraherar gener från naturliga organismer med hjälp av de rekombinanta tekniker som används av andra mikrobiella ingenjörer. I det långa loppet räknar Venter dock med ett tillvägagångssätt som ligger mer i linje med hans rykte som banbrytare. Istället för att modifiera befintliga organismer för att producera etanol och andra potentiella biobränslen vill han bygga nya.

Naturligt urval, hävdar Venter, designar inte livsformer för att effektivt utföra de mångfaldiga funktioner som deras gener kodar för, än mindre för att utföra en dedikerad uppgift som etanolproduktion. Följaktligen går en enorm mängd ansträngning och kostnader åt att ta reda på hur man stänger av komplexa, ofta överflödiga genetiska vägar som miljarder år av evolution har etsat in i organismer. Varför inte börja med ett genom som bara har det minimala antalet gener som behövs för att upprätthålla liv och lägga till det du behöver? Med en syntetisk cell har man bara de vägar där inne som man vill ska vara där, säger han.

Synthetic Genomics tillvägagångssätt bygger på forskning som Venters Institute for Genomic Research bedrivit på en mikroörganism som kallas Mycoplasma genitalium i slutet av 1990-talet. Mikroben, som lever i människans urinvägar, har bara 517 gener. Även om det är det minsta genomet som setts i någon känd livsform, visade forskare i Venters grupp att organismen kunde överleva även efter att de hade slagit ut nästan hälften av dess proteinkodande gener (vissa gener kodar inte för proteiner utan för andra biomolekyler som fungerar reglerande fungerar i cellen). Med hjälp av DNA-sekvensen av detta minimala genom som vägledning försöker de nu syntetisera en konstgjord kromosom som, insatt i en urholkad cell, kommer att leda till en livskraftig livsform. När de väl är över detta första hinder planerar de att bygga syntetiserade, uppgiftsspecifika genetiska vägar in i genomet, ungefär på samma sätt som man kan ladda mjukvara till en dators operativsystem. Istället för att skapa kalkylblad eller ordbehandla, skulle dock sådan biologiskt baserad programvara instruera cellen att bryta ner cellulosa för att producera etanol eller utföra andra användbara funktioner. Det här är ett helt nytt fält på gränsen till explosion, säger Venter.

Bland biobränslen är etanol den etablerade föregångaren, men olika typer av mikrober producerar också väte, metan, biodiesel och till och med elektricitet – vilket innebär att de kan genetiskt modifieras för att producera mer av dessa resurser. Vid University of California, Berkeley, föreslår bioingenjören Jay Keasling och hans kollegor att designa organismer som pumpar ut ett bränsle som ingen naturlig mikrober gör, ett som erbjuder några lockande fördelar jämfört med etanol: bensin. Dess fördelar som bränsle är naturligtvis bevisade, och förmågan att producera det från avfallsträ och returpapper, vilket Keasling tror är genomförbart, kan minska länders beroende av utländsk olja. Och till skillnad från etanol, som är vattenlöslig och måste transporteras i lastbilar för att inte ta upp vatten i rör, kan biologiskt genererad oktan föras till konsumenterna ekonomiskt, precis som dagens gas.

Etanol har en plats, men det är förmodligen inte det bästa bränslet på lång sikt, säger Keasling. Folk har använt det länge för att göra vin och öl. Men det finns ingen anledning att vi måste nöja oss med ett 5 000 år gammalt bränsle.

På kort sikt krävs vissa framsteg inom biologi och ingenjörskonst innan bränslen gjorda av biomassa blir praktiska och konkurrenskraftiga med fossila bränslen. Men på längre sikt, säger Venter, begränsas vi mest av vår fantasi, inte av biologins gränser.

Jamie Shreeves senaste bok är Genomkriget .

Dölj