Przeprojektowanie życia, aby wytworzyć etanol

31 stycznia Ari Patrinos siedział w swoim salonie w Rockville, MD, słuchając przemówienia o stanie państwa i powoli przysypiając. Nagle się obudził.

Kolonie rekombinowanych bakterii Streptomyces są zaprojektowane do produkcji enzymów zwanych celulazami. Dzięki tym enzymom bakterie mogą rozkładać celulozę na drodze do produkcji etanolu. (Dzięki uprzejmości NREL/US Department of Energy/Photo Researchers)

Sfinansujemy również dodatkowe badania nad najnowocześniejszymi metodami produkcji etanolu, mówił prezydent Bush w telewizji, nie tylko z kukurydzy, ale także z wiórów drzewnych i łodyg lub prosa rózgowego. Naszym celem jest uczynienie tego nowego rodzaju etanolu praktycznym i konkurencyjnym w ciągu sześciu lat.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2006 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

W przeciwieństwie do większości legislatorów, którzy odważnie przyklasnęli słowom prezydenta, Patrinos dokładnie rozumiał, o co im chodziło. W rzeczywistości odrzucił je kilka dni wcześniej na zaniepokojoną prośbę swojego szefa, nieświadomy, że są przeznaczone na przemówienie o stanie państwa. Patrinos, ówczesny zastępca dyrektora Biura Badań Biologicznych i Środowiskowych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, od lat promował etanol celulozowy jako alternatywne źródło energii, ale spotykał się z obojętnością lub kpinami. Teraz, jak się wydawało, przekonali się nawet najbardziej życzliwi naftowcy politycy.

Produkcja paliwa etanolowego z biomasy jest atrakcyjna z wielu powodów. W czasach gwałtownie rosnących cen gazu i obaw o długoterminową dostępność zagranicznej ropy, krajowe dostawy surowców do produkcji biopaliw wydają się niemal nieograniczone. W międzyczasie przewiduje się, że ilość dwutlenku węgla wyrzucanego corocznie do atmosfery w wyniku spalania paliw kopalnych wzrośnie na całym świecie z około 24 miliardów ton metrycznych w 2002 roku do 33 miliardów ton metrycznych w 2015 roku. do całkowitego węgla w atmosferze, ponieważ dwutlenek węgla wydzielany w procesie jest w przybliżeniu równy ilości pochłoniętej przez rośliny użyte do wyprodukowania następnego galonu.

Multimedia

• Wideo: Naukowcy mówią o zagrożeniu globalnym ociepleniem i sposobach radzenia sobie z nim.

Używanie etanolu do paliwa samochodowego nie jest nowym pomysłem (patrz Bounty Brazylii ) . Od czasu kryzysu energetycznego na początku lat 70. zachęty podatkowe spowodowały wzrost produkcji etanolu; w 2005 roku osiągnęła cztery miliardy galonów rocznie. Ale nadal przekłada się to na zaledwie 3 procent paliwa w amerykańskich zbiornikach gazu. Jednym z powodów ograniczonego stosowania etanolu jest to, że w Stanach Zjednoczonych wytwarza się go prawie wyłącznie ze skrobi kukurydzianej; proces jest nieefektywny i konkuruje z innymi rolniczymi zastosowaniami kukurydzy. Chociaż przekształcenie skrobi zawartej w ziarnach kukurydzy w cukry potrzebne do produkcji etanolu jest stosunkowo łatwe, wydajność paliwa jest niska w porównaniu z ilością energii zużywanej na uprawę i zbiory. Przetwarzanie etanolu z celulozy – słomy pszennej i ryżowej, prosa rózgowego, masy papierniczej, odpadów rolniczych, takich jak kolby kukurydzy i liście – może wycisnąć co najmniej dwa razy więcej paliwa z tej samej powierzchni ziemi, ponieważ o wiele więcej biomasy jest dostępne na akr. Co więcej, takie podejście wykorzystywałoby surowce, które w innym przypadku są zasadniczo bezwartościowe.

Przekształcanie celulozy w etanol obejmuje dwa podstawowe etapy: rozbijanie długich łańcuchów cząsteczek celulozy na glukozę i inne cukry oraz fermentację tych cukrów w etanol. W naturze procesy te są wykonywane przez różne organizmy: grzyby i bakterie, które wykorzystują enzymy (celulazy) do uwolnienia cukru z celulozy oraz inne drobnoustroje, głównie drożdże, które fermentują cukry na alkohol.

W 2004 roku Iogen, kanadyjska firma biotechnologiczna z siedzibą w Ottawie, zaczęła sprzedawać niewielkie ilości etanolu celulozowego, wytwarzanego przy użyciu słomy z pszenicy zwyczajnej jako surowca i grzyba tropikalnego, genetycznie zmodyfikowanego w celu nadprodukcji enzymów trawiących celulozę. Ale Iogen szacuje, że jego pierwsza komercyjna instalacja na pełną skalę, dla której ma nadzieję uruchomić w 2007 roku, będzie kosztować 300 milionów dolarów – pięć razy więcej niż konwencjonalny zakład produkujący etanol o podobnej wielkości.

Im bardziej można bawić się drobnoustrojami wytwarzającymi etanol w celu zmniejszenia liczby etapów procesu konwersji, tym niższe będą koszty i tym szybciej etanol celulozowy stanie się konkurencyjny na rynku. Na przykład w konwencjonalnej produkcji etanol musi być stale usuwany z reaktorów fermentacyjnych, ponieważ drożdże nie tolerują go w zbyt dużej ilości. Greg Stephanopoulos z MIT, profesor inżynierii chemicznej, opracował drożdże, które tolerują o 50% więcej etanolu. Ale, jak mówi, taka inżynieria genetyczna obejmuje coś więcej niż tylko łączenie jednego lub dwóch genów. Pytanie nie brzmi, czy możemy stworzyć organizm, który wytwarza etanol, mówi Stephanopoulos. W ten sposób możemy zaprojektować całą sieć reakcji, aby przekształcić różne cukry w etanol z wysoką wydajnością i produktywnością. Tolerancja na etanol jest właściwością systemu, a nie pojedynczym genem. Jeśli chcemy zwiększyć ogólną wydajność, musimy manipulować wieloma genami jednocześnie.

Idealny organizm zrobiłby to wszystko – rozkładał celulozę jak bakteria, fermentował cukier jak drożdże, tolerował wysokie stężenia etanolu i poświęcał większość zasobów metabolicznych na produkcję samego etanolu. Istnieją dwie strategie tworzenia takiego uniwersalnego błędu. Jednym z nich jest modyfikacja istniejącego drobnoustroju poprzez dodanie pożądanych ścieżek genetycznych z innych organizmów i wyeliminowanie niepożądanych; drugim jest rozpoczęcie od czystej, okrojonej syntetycznej komórki i zbudowanie niestandardowego genomu niemal od zera.

Lee Lynd, profesor inżynierii na Uniwersytecie Dartmouth, stawia na pierwsze podejście. On i jego koledzy chcą połączyć wiele biologicznie zapośredniczonych etapów związanych z produkcją etanolu w jeden. Mówi, że jest to potencjalnie przełomowy przełom w tanim przetwarzaniu biomasy celulozowej. Strategia może obejmować albo modyfikację organizmu, który naturalnie metabolizuje celulozę, aby wytwarzał wysokie wydajności etanolu, albo inżynierię naturalnego producenta etanolu tak, aby metabolizował celulozę.

W maju Lynd i jego koledzy poinformowali o postępach na obu frontach. Zespół z Uniwersytetu Stellenbosch w RPA, który współpracował z Lyndem, ogłosił, że zaprojektował drożdże, które mogą przetrwać na samej celulozie, rozkładając złożone cząsteczki i fermentując powstałe cukry proste do etanolu. W tym samym czasie grupa Lynd poinformowała, że ​​zaprojektowała bakterię termofilną – taką, która naturalnie żyje w środowiskach o wysokiej temperaturze – której jedynym produktem fermentacji jest etanol. Inne organizmy zostały zaprojektowane do wykonywania podobnych sztuczek w normalnych temperaturach, ale zrekombinowany drobnoustrój Lynda robi to w wysokich temperaturach, w których najlepiej sprawdzają się komercyjne celulazy. Jesteśmy znacznie bliżej komercyjnego wykorzystania niż ludzie myślą, mówi Lynd, który komercjalizuje zaawansowaną technologię etanolu w Mascoma, startupie w Cambridge, MA.

Inni stosują znacznie bardziej radykalne podejście. Wkrótce po przemówieniu o stanie państwa Patrinos opuścił DOE, aby zostać prezesem Synthetic Genomics, start-upu w Rockville, MD, założonego przez Craiga Ventera, biologa obrazoburcę, który kierował prywatnymi próbami odszyfrowania ludzkiego genomu. Syntetyczna genomika jest w pogoni za bakterią, która zrobi wszystko, jak to ujął Venter. Dzięki finansowaniu z Synthetic Genomics naukowcy z Instytutu J. Craiga Ventera dodają i odejmują geny od organizmów naturalnych przy użyciu technik rekombinacji stosowanych przez innych inżynierów mikrobiologicznych. Jednak na dłuższą metę Venter liczy na podejście bardziej zgodne z jego reputacją pioniera. Zamiast modyfikować istniejące organizmy do produkcji etanolu i innych potencjalnych biopaliw, chce budować nowe.

Dobór naturalny, przekonuje Venter, nie projektuje form życia tak, aby skutecznie wykonywały liczne funkcje kodowane przez ich geny, a tym bardziej nie służą do wykonywania specjalnych zadań, takich jak produkcja etanolu. W konsekwencji ogromny wysiłek i wydatki są przeznaczone na wynalezienie sposobu na zamknięcie złożonych, często zbędnych ścieżek genetycznych, które miliardy lat ewolucji wyryły w organizmach. Dlaczego nie zacząć od genomu, który ma tylko minimalną liczbę genów potrzebnych do podtrzymania życia i dodać do niego to, czego potrzebujesz? W syntetycznej komórce masz tylko te ścieżki, w których chcesz się znaleźć, mówi.

Podejście Synthetic Genomics opiera się na badaniach, które Venter Institute for Genomic Research przeprowadził na mikroorganizmie zwanym Mycoplasma genitalium pod koniec lat 90. Mikrob, który bytuje w drogach moczowych człowieka, ma tylko 517 genów. Chociaż jest to najmniejszy genom widziany w jakiejkolwiek znanej formie życia, naukowcy z grupy Ventera wykazali, że organizm może przetrwać nawet po usunięciu prawie połowy genów kodujących białka (niektóre geny kodują nie białka, ale inne biomolekuły, które wykonują czynności regulacyjne). funkcje w komórce). Używając sekwencji DNA tego minimalnego genomu jako przewodnika, próbują teraz zsyntetyzować sztuczny chromosom, który wstawiony do wydrążonej komórki doprowadzi do powstania żywej formy życia. Gdy pokonają tę pierwszą przeszkodę, planują wbudować w genom zsyntetyzowane, specyficzne dla zadania ścieżki genetyczne, podobnie jak można ładować oprogramowanie do systemu operacyjnego komputera. Jednak zamiast tworzyć arkusze kalkulacyjne lub przetwarzać tekst, takie biologiczne oprogramowanie poinstruuje komórkę, aby rozłożyła celulozę w celu wytworzenia etanolu lub pełniła inne przydatne funkcje. To zupełnie nowe pole na granicy wybuchu, mówi Venter.

Wśród biopaliw etanol jest uznanym faworytem, ​​ale różne rodzaje drobnoustrojów wytwarzają również wodór, metan, biodiesel, a nawet energię elektryczną – co oznacza, że ​​można je genetycznie modyfikować, aby wytwarzać więcej tych zasobów. Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley bioinżynier Jay Keasling i jego koledzy proponują zaprojektowanie organizmów, które wypompowują paliwo, którego nie wytwarza żaden naturalny drobnoustrój, a które ma kuszące zalety w porównaniu z etanolem: benzynę. Jego zalety jako paliwa zostały oczywiście udowodnione, a zdolność do produkcji go z odpadów drzewnych i makulatury, co Keasling uważa za wykonalne, może zmniejszyć zależność krajów od zagranicznej ropy naftowej. I w przeciwieństwie do etanolu, który jest rozpuszczalny w wodzie i musi być transportowany ciężarówkami, aby nie zbierał wody w rurach, biologicznie wytworzony oktan mógłby być ekonomicznie dostarczany do konsumentów, podobnie jak dzisiejszy gaz.

Etanol ma swoje miejsce, ale prawdopodobnie nie jest najlepszym paliwem na dłuższą metę, mówi Keasling. Ludzie używali go od dawna do produkcji wina i piwa. Ale nie ma powodu, abyśmy musieli zadowolić się paliwem sprzed 5000 lat.

W perspektywie krótkoterminowej potrzebne są pewne postępy w biologii i inżynierii, zanim paliwa z biomasy staną się praktyczne i konkurencyjne w stosunku do paliw kopalnych. Ale na dłuższą metę, mówi Venter, ogranicza nas głównie nasza wyobraźnia, a nie granice biologii.

Najnowsza książka Jamiego Shreeve'a to Wojna genomowa .

ukryć