Söker efter Biofuels' Sweet Spot

Den fyrfiliga Anhangüera Highway leder nordväst från Brasiliens finanshuvudstad, São Paulo, till några av de mest produktiva jordbruksmarkerna i världen. Utsikten från ett bilfönster avslöjar plantager med håriga eukalyptusträd och kohagar fulla av termithögar. Fält med sockerrör rullar utom synhåll över kullarna.

Sväng höger vid kilometer 104,5 och du kommer in i Techno Park, ett städat företagsforskningskvarter som ser ut som om det har rivits ut ur förorten Kalifornien. Och det har det på sätt och vis. I en byggnad inte långt från entrén finns rader av prydligt organiserade arbetsstationer, glänsande jäsningstankar och klingande centrifuger. Allt detta maskineri är en nästan exakt kopia av utrustningen på en anläggning i Emeryville, CA. Även klädhängarna är desamma.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2010

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Byggnaden är den brasilianska utposten för Amyris Biotechnologies, en amerikansk forskningsutrustning som hyllats för sitt arbete under ett anslag från Bill and Melinda Gates Foundation för att göra en knapp malariadrog mer allmänt tillgänglig. Dess grundare, Jay Keasling, anses vara en pionjär inom syntetisk biologi, och malariaprojektet, som kan rädda många tusentals liv, har presenterats i New Yorker. I maj förra året tilldelades Keasling Biotechnology Industry Organisationens första Biotech Humanitarian Award.

Mindre publicerad är att Amyris har samlat in mer än 170 miljoner dollar i riskkapital för att komma in i biobränslebranschen och att dess nuvarande planer kräver att nästan allt bränsle ska produceras i Brasilien. Roel Collier, en belgisk som talar flytande portugisiska och som leder Amyris verksamhet i Brasilien, pekar på en 12 meter hög ståltank där genetiskt modifierad jäst frossar på saften från sockerrören som är så riklig i detta land. Inuti finns den senaste amerikansk teknik som tillämpas på Brasiliens konkurrensfördelar, förklarar han.

Under de senaste två åren har Colliers ansvar inkluderat att frakta fat med fryst brasiliansk sockerrörsjuice till Amyris laboratorium i Kalifornien, cirka 10 000 kilometer bort. Där har forskare genetiskt kopplat om vanliga jästceller för att smälta caldo de cana, som juicen kallas, och förvandla den till farnesene, en väldoftande olja som Amyris har visat kan omvandlas till dieselbränsle. Inom det snabbrörliga området syntetisk biologi – en disciplin som försöker skriva om mikroorganismernas DNA som om det vore datorkod – anses de kaliforniska laboratorierna i Amyris vara toppmoderna. Forskare skapar och testar tiotusentals konstruerade jäststammar varje vecka. Företaget sysselsätter nästan lika många doktorer i jästgenetiker som alla universitet i Brasilien.

Råmaterial: En sockerrörsplantage nära staden Campinas. Varje hektar ger tillräckligt med sockerrörsjuice för att göra 3 000 liter etanol.

Men Brasilien erbjuder Amyris en avgörande fördel gentemot USA: de ekonomiska förhållandena där lämpar sig för att utnyttja tekniken kommersiellt. Brasilien är världens mest effektiva producent av socker. Enorma högar av det hopar sig vid landets 420 sockerrörsraffinaderier. Med sitt tropiska väder och aggressiva affärskultur dominerar landet den globala sockerhandeln. Och enorma förråd av billigt socker är nyckeln till att göra Amyris teknologi praktisk.

Anledningen till att åka till Brasilien var ganska tydlig; det är den billigaste och mest lättillgängliga sockerkällan för att driva den tekniska plattformen, säger Keasling, professor i biokemisk teknik vid University of California, Berkeley, som också leder Joint BioEnergy Institute, en insats på 135 miljoner dollar finansierad av det amerikanska departementet för Energi för att utvinna socker från träflis, gräs och annat billigt växtmaterial. Om 10 till 15 år kan dess arbete göra sockermolekyler lika billiga att få tag på i USA som de för närvarande är i Brasilien. Än så länge fortsätter dock den amerikanska biobränsleindustrin att tillverka etanol genom att jäsa glukosen i majskärnor. Och majs är en relativt dyrbar sockerkälla, som den amerikanska etanolindustrin har upptäckt till sin nöd. Trots skattebetalarnas subventioner har amerikanska tillverkare inte kunnat göra konsekventa vinster.

Historien är annorlunda i Brasilien, där sockerrörsfabriker har producerat billig etanol sedan regeringen lanserade en push för bränsleoberoende på 1970-talet. Landets bilflotta förbrukar nu mer etanol än bensin. Nästan 90 procent av bilarna som tillverkas i Brasilien kan köras på biobränslet. Branschen har insett att geografi är ödet, säger Mark Bunger, forskningschef på Lux Research, ett New York-företag som studerar kommersialiseringen av framväxande teknologier. Enligt Bungers uppfattning är det bara ett fåtal platser på planeten som har det regn, solen och landmassan som behövs för att göra biobränslen till den skala och det pris som kan ha en verklig inverkan. Den förståelse som vi kommer till är att det aldrig kommer att hända på vissa ställen, säger han, och Brasilien är det första stället där ekonomin är vettig.

Amyris nådde en liknande slutsats för ungefär tre år sedan - därav dess identiska jäsningslabb i Emeryville och Brasilien. Forskare i Kalifornien pysslar med jäst för att få det att omvandla socker till farnesen snabbare; sedan skickas insekterna söderut för testning under tropiska förhållanden. I år planerar Amyris att börja bygga ett högt jäskomplex i den brasilianska delstaten Goiás. När det är klart ska det kunna producera 100 miljoner liter

grönt dieselbränsle varje år.

Liksom etanol kommer Amyris bränsle att tillverkas genom att jäsa socker. Men företagsforskare har gjort om jäst så att mikroberna bearbetar den till brännbara kolväten istället för alkohol. Det betyder att konkurrensen om dess gröna bränsle inte är etanol utan diesel gjord av petroleum och även biodiesel gjord av vegetabilisk olja eller animaliskt fett. Amyris säger att dess bränsle har ett antal fördelar jämfört med båda. Till skillnad från fossila bränslen är det tillverkat av en förnybar källa. Det bidrar också med mindre växthusgaser till atmosfären: företaget beräknar att dess brasiliansktillverkade diesel kommer att släppa ut cirka 80 procent mindre växthusgas än konventionell diesel. Och jämfört med andra biodieslar kommer dess sockerbaserade bränsle att vara billigare att tillverka och göra det möjligt för motorer som använder det att fungera bättre. Amyris VD, en tidigare oljechef vid namn John Melo, har förhandlat med företag som letar efter ett grönt bränsle, inklusive Federal Express, Virgin Atlantic och General Electric.

Jästfabrik: Vid Amyris demonstrationsanläggning i Brasilien produceras kolväten i ett jästorn.

För många syntetiska biologer är diesel bara början. De tror att de i princip kan skapa mikroorganismer för att producera ersättningar för vilken petroleumprodukt som helst. Men det finns enorma risker. Amyris jäststammar har visat sig oväntat sårbara. Och som med andra biotekniska processer som är beroende av levande mikroorganismer kan ingen säga om produktionen av grön diesel kan skalas upp ekonomiskt från de 1 000-liters partier som produceras idag. Alla prognoser är baserade på skaleffektivitet för processer som aldrig har körts på de skalorna, säger Noubar Afeyan, VD för Flagship Ventures i Cambridge, MA, och en av grundarna till LS9, en konkurrerande syntetisk biologistartup. En stor utmaning är att det krävs hundratals miljoner dollar för att bevisa det, även i medelstor skala.

För nio år sedan var Amyris teknologi fortfarande ett bänkprojekt i Keaslings Berkeley-laboratorium. Forskare hade tittat på sätt att få mikroorganismer att producera kommersiellt användbara produkter. Genom att lägga till DNA från växter och bakterier designade Keaslings labb så småningom nya bakterier och jästceller som kunde göra stora mängder isopentenylpyrofosfat. Med sina fem kolatomer är kemikalien ett slags legokloss av den naturliga världen; av det bygger växter och djur isoprenoider, medlemmar av en stor klass av molekyler som inkluderar cancerläkemedlet taxol, vitamin E och dofter som grapefrukt och feromoner från honkackerlackor.

Keasling visste att uppfinningen var värdefull och 2001 lämnade han in den första patentansökan i sin karriär. Vi ville tillämpa verktygen på ett verkligt problem, säger han. Chansen kom 2004, när Bill och Melinda Gates Foundation beslutade att donera 42,6 miljoner dollar till ett projekt som skulle tillverka antimalarialäkemedlet artemisinin med hjälp av Keaslings beställningssydda mikrober.

Artemisinin kommer för närvarande från den söta malörtsväxten, som odlas mest i Afrika och Asien. Tillgången av läkemedlet är ostadig och priserna svänger vilt; de nådde 1 100 dollar per kilo 2006. Genom att använda genetiskt modifierad jäst för att producera den från socker, lovade Keaslings tillvägagångssätt att lösa utbudsproblemet och dramatiskt sänka priset. Med sin chans att rädda tusentals – kanske miljontals – människor som annars skulle kunna dö av malaria, har projektet blivit en symbol för syntetisk biologis potential att förändra världen till det bättre. Gates pengar betalade för den snabba expansionen av Amyris, som Keasling och tre av hans postdoktorer grundade för att genomföra malariaprojektet. I slutet av 2005, säger Amyris tekniska chef, Neil Renninger, tillbringade några på företaget nätter och helger och funderade på vilka andra problem som deras teknik skulle kunna lösa.

Inuti en fermentor metaboliserar genetiskt modifierad jäst socker och producerar farnesen, en doftande kolväteolja.

Amyris uppskattar att isoprenoidfamiljen inkluderar cirka 50 000 olika typer av molekyler, så det var långt ifrån klart vart man skulle fokusera härnäst. När vi började presentera VCs sa vi att det finns några droger som vi tycker är intressanta, och nutraceuticals och till och med bränslen – vad tycker du? påminner Renninger. Men det var svårt att hitta ett projekt så meningsfullt för Amyris forskare som malaria. Det här var verkligen en kultur av människor som vill rädda liv och inte tjäna mycket pengar, säger han. Så när du slänger fram grapefruktsmak framför dem - ja, det är inte så intressant.

Saker och ting började förändras i mitten av 2006, när två av Silicon Valleys mest kända riskkapitalföretag, Kleiner Perkins Caufield och Byers och grönenergispecialisten Khosla Ventures, erbjöd sig att investera 20 miljoner dollar i företaget. Den amerikanska kongressen hade godkänt mandat för förnybara bränslen 2005, vilket satte igång en våg av spekulativa investeringar i alla typer av biobränslen. Geoffrey Duyk, verkställande direktör på TPG Biotech, som också satte pengar i företaget, minns att när Amyris accepterade medlen kom investerarna in och flyttade fokus till bränslen.

Investerarna började uppvakta Melo, då chef för British Petroleums nordamerikanska bränsleverksamhet, för att bli Amyris VD. Melo drev vad han kallar ett trevligt litet företag som involverade enorma lastbilsflottor och mängder av terminaler och genererade 34 miljarder dollar i intäkter. När en rekryterare först ringde honom angående ett bioteknikföretag med ett malariaprojekt, minns han att min reaktion var: 'Du måste skoja. Jag är en bränslekille,

så vad bryr jag mig om?

När han lärde sig mer om syntetisk biologi och träffade Amyris vetenskapliga personal ändrade Melo sig. Bränslen är den största av alla företag efter intäkter, men som andel av vinsten spenderar oljebolagen endast små summor på FoU och nästan ingenting på grundforskning. Melo bestämde sig för att hans gamla industri var mogen för förändring. Förmågan att modifiera mikrober [betyder] att vi kan vara bränslenas och kemikaliernas Microsoft, där vi i själva verket skriver programvaran som går in i jäsningstanken, säger han. Det förändrade spelet för mig. Melo ledde företaget att arbeta med diesel, världens mest använda transportbränsle och ett som ofta är en bristvara. Att producera rätt typ av molekyl visade sig vara förvånansvärt enkelt. Inom sex veckor hade forskarna bytt ett enda enzym i sina artemisininproducerande insekter och börjat producera farnesen, oljan de hade identifierat som en potentiell prekursor till diesel.

De ser ut som väldigt olika projekt - ett är ett läkemedel och ett är ett bränsle - men den metaboliska vägen är liknande, säger Collier. Det var Amyris stora framsteg. Farnesene är en behagligt doftande olja som delvis står för lukten av äppelskal. Genom att utföra ytterligare ett kemiskt steg, hydrogenering, kan Amyris förvandla den jästproducerade farnesenen till farnesan, ett mycket brännbart bränsle med egenskaper som liknar dieselns.

Jäststammar testas för effektivitet.

Som ett kolväte som diesel och bensin kommer farnesan inte att utsättas för de problem som har påverkat andra biobränslen, satsar Amyris. Etanol, till exempel, kan blandas med vatten, vilket kan orsaka problem när vatten tar sig in i bensinledningar. Växtbaserade biodieslar innehåller samtidigt föroreningar och kan täppa till motorer vid låga temperaturer. Farnesane, å andra sidan, kan enkelt släppas in i det befintliga bränsledistributionsnätet. Den har till och med en fördel jämfört med vanlig diesel: den innehåller inget förorenande svavel.

Men projektet kommer bara att påverkas om det kan sättas in i en massiv skala. Och ingen är ännu säker på hur väl syntetisk biologi kommer att fungera i sådana skalor. Synthetic Genomics, ett företag som startades av gensekvenseringspionjären J. Craig Venter, nådde ett avtal på 300 miljoner dollar med ExxonMobil förra året för att utveckla bränsleproducerande alger. Ändå sa Exxons vicepresident för forskning och utveckling, Emil Jacobs, till New York Times att han inte ville sockra på projektets chanser. För transportbränslen, om du inte kan se om du kan skala upp en teknik, måste du ifrågasätta om du behöver vara involverad överhuvudtaget, sa han.

Förmågan att tillverka bränslen i häpnadsväckande mängder är inte det enda som behövs för att de ska bli ett realistiskt alternativ. De är också råvaror som säljs till bottenpriser. Petroleumindustrins produkt, liter för liter, är halva priset av Coca-Cola. Var skulle huvudkostnaderna ligga i Amyris produktionsprocess? Om etanolindustrins medelvärden stämmer, skulle sockret som dess jäst matas på representera över hälften av det slutliga priset för att göra farnesan.

Dessa beräkningar var en del av det som fick Melo att plantera flaggan ordentligt i Brasilien, minns investeraren Duyk. Amerikansk majs, även om den ligger nära till hands, skulle ha varit en dålig insats. År 2007 hade den växande amerikanska etanolproduktionen fått majspriserna att skjuta i höjden så högt att tiotusentals mexikaner demonstrerade över kostnaderna för tortillas. När oljepriserna sjönk 2008 och majspriserna förblev på rekordnivåer kunde många amerikanska etanoltillverkare inte längre göra vinst.

En arbetare håller flaskor med Amyris slutprodukt, dieselbränsle.

Omfattning, kostnad och konkurrens med livsmedel är inte de enda problemen för biobränslen. Amyris ville marknadsföra sin diesel som bra för miljön; dess broschyrer hävdar att dess No Compromise-bränslen kommer att släppa ut 80 procent mindre koldioxid i atmosfären än fossila bränslen. Idag är brasiliansk sockerrör den enda grödan som möjligen kan stödja Amyris gröna marknadsföring. Brasilianska studier säger att sockerrörsetanol ger cirka 7 till 10 gånger så mycket energi som det krävs för att producera bränslet; däremot ger etanol gjord av majs bara något mer än att producera den förbrukar. Även om miljöpåverkan av att odla sockerrör fortfarande är omtvistad, är det tydligt att processen kräver mindre energi än att odla majs. Dessutom är Brasiliens biobränsleproducenter mer effektiva än de i andra länder, delvis för att många brasilianska bruk bränner sockerrörsavfall för att driva sina krossar och destillatörer, vilket minskar användningen av fossila bränslen.

Som marknad kan Brasilien också ge andra fördelar. Landets efterfrågan på diesel är hög, så Amyris skulle kunna bygga en respektabel verksamhet utan att någonsin exportera en droppe. Brasilien har också utrymme för att öka produktionen: sockerrör planteras nu på cirka 3 procent av Brasiliens åkermark, men grödan kan expandera till mer än 100 miljoner hektar som för närvarande används för att beta boskap. Du skulle förmodligen kunna fyrdubbla och femdubbla sockerrörsproduktionen, säger Bill Haywood, VD för LS9 och en före detta oljebolagschef. Det förstår resten av världen dåligt. Jag tror att Brasilien kommer att bli födelsen av hög kvalitet

grön diesel, precis som det var för etanol.

I december nådde Amyris en överenskommelse om att bygga sin första farnesenefabrik, en anläggning på 100 miljoner liter per år som kommer att byggas inne i det nybyggda Boa Vista socker- och etanolbruk i Goiás. Som en del av transaktionen gick Amyris med på att köpa en andel på 40 procent i bruket av dess ägare, Grupo São Martinho. Dess totala betalning, cirka 80 miljoner dollar i kontanter och aktier, var det högsta priset som någonsin betalats för fräskapacitet i Brasilien, enligt São Martinhos president, Fábio Venturelli. Amyris ville ha kontroll över konstruktionen av sin första stora anläggning, för att se till att det går smidigt. Men så småningom planerar företaget att byta ut sin teknologi för tillgång till sockerrörsjuice, ett billigare tillvägagångssätt. Tanken är att låta Brasiliens sockerbruk betala för att bygga om sina växter medan Amyris bidrar med sin genetiskt modifierade jäst. Amyris skulle sedan sälja farnesene och dela vinsten med bruket.

Även om de kommersiella villkoren kan vara komplicerade, är den grundläggande pitchen Amyris gör det inte: i en industri som på många sätt är lågteknologisk (mer än hälften av Brasiliens sockerrör är fortfarande hackad av daglönare med machete), lovar man att förvandla kvarnar till futuristiska bioraffinaderier som kan göra kemikalier och bränslen mer värdefulla än socker eller etanol. Många brasilianska företag har tänkt i liknande banor. När Venturelli blev São Martinhos VD 2008 och första gången såg ritningarna för Boa Vista-bruket, märkte han att någon hade skrivit en lapp på ett tomt område. Det stod, Detta utrymme för framtida sockerrörsbaserad kemikalie.

Många frågor kvarstår dock. Alla våra företag strävar efter att ligga i framkanten på bränslemarknaden, och de ser i Amyris möjligheten till tekniköverföring, säger Alfred Szwarc, teknisk rådgivare till UNICA, Brasiliens största sockerrörsförening. Men eftersom vi inte vet priset eller driftskostnaderna är det för närvarande mycket spekulationer.

Den största osäkerheten är hur Amyris jäst kommer att prestera under industriella förhållanden. Det kommer att vara en av de första gångerna som syntetisk biologi har nått en sådan skala, och processen kommer säkerligen att ställa till tekniska problem som inget annat företag har mött tidigare. Ett bekymmer: vilda jäststammar kan åka in i jäsningstankarna tillsammans med sockerrörsjuicen. I sterila labbexperiment är det inte ett problem. Men i en sockerrörsfabrik kan jäst som inte gör farnesen lätt överväldiga den labbskapade sorten.

Den senaste utvecklingen i artemisininprojektet tyder också på att kostnader kan vara ett problem. Läkemedelstillverkaren Sanofi Aventis, som gick med på att hantera kommersiell produktion av antimalariamedlet, säger att de stötte på oväntade hinder och nu planerar att producera läkemedlet för $350 till $400 per kilo. Det är nära det genomsnittliga priset för den växtbaserade versionen, men det är tre till fyra gånger så dyrt som Keasling har lovat i mediaintervjuer.

I Brasilien kan Amyris drömmar om att förändra den globala bränsleverksamheten behöva skjutas upp, åtminstone för en tid. Företagets första anläggning kanske inte producerar farnesen tillräckligt billigt för att konkurrera head to head med diesel. Istället kommer farnesenet som produceras av São Martinho-bruket initialt att säljas till konsumentproduktmarknaden, där det kan komma att kräva mycket högre priser än vad som betalas för diesel. (Den kan bland annat användas som ett återfuktande medel för läppstift eller antiaging krämer.)

Det betyder att Amyris forskare kan behöva vänta ett tag till för att förändra världen. Men Melo säger att företaget inte har backat från sitt mål att bli en stor kraft på bränslemarknaden. Vi handlar alla om påverkan, säger han. Att rädda tusentals barn är effekt. Med bränslen är det skala. Om vi ​​inte kan skala vårt bidrag till CO2 [utsläpp] eller grön produktion kommer vi att vara irrelevanta.

Antonio Regalado är en medverkande korrespondent för Vetenskap i Latinamerika och tidigare redaktör på TR. Han är baserad i Sao Paulo.

Dölj