Het leven opnieuw ontwerpen om ethanol te maken

Op 31 januari zat Ari Patrinos in zijn woonkamer in Rockville, MD, te luisteren naar de State of the Union-toespraak en langzaam in slaap te vallen. Plots schrok hij wakker.

Kolonies van recombinante Streptomyces-bacteriën zijn ontworpen om enzymen te produceren die cellulasen worden genoemd. Met deze enzymen kunnen de bacteriën cellulose afbreken op weg naar de productie van ethanol. (Met dank aan NREL/U.S. Department of Energy/Photo Onderzoekers)

We zullen ook aanvullend onderzoek financieren naar geavanceerde methoden om ethanol te produceren, zei president Bush op de televisie, niet alleen van maïs, maar van houtsnippers en stengels of switchgrass. Ons doel is om deze nieuwe vorm van ethanol binnen zes jaar praktisch en concurrerend te maken.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2006

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

In tegenstelling tot de meeste wetgevers die de woorden van de president speels toejuichten, begreep Patrinos precies wat ze bedoelden. Sterker nog, hij had ze dagen eerder zelf weggegooid op gejaagd verzoek van zijn baas, niet wetende dat ze bestemd waren voor de State of the Union-toespraak. Patrinos, destijds associate director van het U.S. Department of Energy's Office of Biological and Environmental Research, had jarenlang cellulose-ethanol aangeprezen als alternatieve energiebron, maar werd onverschillig of belachelijk gemaakt. Nu leek het erop dat zelfs de meest petrovriendelijke politici overtuigd waren.

Het produceren van ethanolbrandstof uit biomassa is om een ​​aantal redenen aantrekkelijk. In een tijd van stijgende gasprijzen en zorgen over de beschikbaarheid van buitenlandse olie op lange termijn, lijkt het binnenlandse aanbod van grondstoffen voor het maken van biobrandstoffen bijna onbeperkt. Ondertussen wordt verwacht dat de hoeveelheid koolstofdioxide die jaarlijks in de atmosfeer wordt gedumpt door de verbranding van fossiele brandstoffen wereldwijd zal stijgen van ongeveer 24 miljard ton in 2002 tot 33 miljard ton in 2015. Het verbranden van een gallon ethanol voegt daarentegen weinig toe. tot de totale koolstof in de atmosfeer, aangezien de kooldioxide die vrijkomt bij het proces ongeveer gelijk is aan de hoeveelheid die wordt opgenomen door de planten die worden gebruikt om de volgende gallon te produceren.

Multimedia

• Video: Wetenschappers spreken zich uit over de dreiging van de opwarming van de aarde en hoe daarmee om te gaan.

Het gebruik van ethanol voor autobrandstof is nauwelijks een nieuw idee (zie de Bounty van Brazilië) . Sinds de energiecrisis van het begin van de jaren zeventig hebben fiscale prikkels de productie van ethanol opgedreven; in 2005 bereikte het vier miljard gallons per jaar. Maar dat vertaalt zich nog steeds in slechts 3 procent van de brandstof in Amerikaanse gastanks. Een reden voor het beperkte gebruik van ethanol is dat het in de Verenigde Staten bijna uitsluitend van maïszetmeel wordt gemaakt; het proces is inefficiënt en concurreert met andere agrarische toepassingen van maïs. Hoewel het relatief eenvoudig is om het zetmeel in maïskorrels om te zetten in de suikers die nodig zijn om ethanol te produceren, is de brandstofopbrengst laag in vergelijking met de hoeveelheid energie die nodig is om de gewassen te telen en te oogsten. Het verwerken van ethanol uit cellulose – tarwe- en rijststro, switchgrass, papierpulp, landbouwafvalproducten zoals maïskolven en bladeren – heeft de potentie om minstens twee keer zoveel brandstof uit hetzelfde stuk land te persen, omdat er zoveel meer biomassa per acre. Bovendien zou een dergelijke benadering gebruik maken van grondstoffen die anders in wezen waardeloos zijn.

Het omzetten van cellulose in ethanol omvat twee fundamentele stappen: het breken van de lange ketens van cellulosemoleculen tot glucose en andere suikers, en het fermenteren van die suikers tot ethanol. In de natuur worden deze processen uitgevoerd door verschillende organismen: schimmels en bacteriën die enzymen (cellulasen) gebruiken om de suiker in cellulose vrij te maken, en andere microben, voornamelijk gisten, die suikers fermenteren tot alcohol.

In 2004 begon Iogen, een Canadees biotechnologiebedrijf gevestigd in Ottawa, met de verkoop van bescheiden hoeveelheden cellulose-ethanol, gemaakt met zachte tarwestro als grondstof en een tropische schimmel die genetisch is verbeterd om zijn cellulose-verterende enzymen te hyperproduceren. Maar Iogen schat dat zijn eerste commerciële fabriek op volledige schaal, waarvan het hoopt in 2007 baanbrekend werk te kunnen doen, $ 300 miljoen zal kosten - vijf keer de kosten van een conventionele maïs-gevoede ethanolfabriek van vergelijkbare grootte.

Hoe meer men kan knoeien met de ethanolproducerende microben om het aantal stappen in het conversieproces te verminderen, hoe lager de kosten zullen zijn en hoe eerder cellulose-ethanol commercieel concurrerend zal worden. Bij conventionele productie moet ethanol bijvoorbeeld continu uit fermentatiereactoren worden verwijderd, omdat de gisten er niet teveel van kunnen verdragen. Greg Stephanopoulos van MIT, een professor in chemische technologie, heeft een gist ontwikkeld die 50 procent meer ethanol kan verdragen. Maar, zegt hij, dergelijke genetische manipulatie omvat meer dan alleen het splitsen van een of twee genen. De vraag is niet of we een organisme kunnen maken dat ethanol maakt, zegt Stephanopoulos. Zo kunnen we een heel netwerk van reacties ontwikkelen om verschillende suikers met hoge opbrengsten en productiviteit om te zetten in ethanol. Ethanoltolerantie is een eigenschap van het systeem, geen enkel gen. Als we de totale opbrengst willen verhogen, moeten we veel genen tegelijk manipuleren.

Het ideale organisme zou het allemaal doen - cellulose afbreken als een bacterie, suiker fermenteren als een gist, hoge concentraties ethanol verdragen en de meeste van zijn metabolische middelen besteden aan het produceren van alleen ethanol. Er zijn twee strategieën om zo'n universele bug te creëren. Een daarvan is het wijzigen van een bestaande microbe door gewenste genetische routes van andere organismen toe te voegen en ongewenste uit te schakelen; de andere is om te beginnen met de schone lei van een uitgeklede synthetische cel en bijna helemaal opnieuw een aangepast genoom op te bouwen.

Lee Lynd, een technische professor aan de Dartmouth University, gokt op de eerste benadering. Hij en zijn collega's willen de vele biologisch gemedieerde stappen die betrokken zijn bij de productie van ethanol samenvouwen tot één. Dit is een potentieel baanbrekende doorbraak in de goedkope verwerking van cellulosebiomassa, zegt hij. De strategie zou kunnen bestaan ​​uit het modificeren van een organisme dat van nature cellulose metaboliseert, zodat het hoge opbrengsten aan ethanol produceert, of het ontwikkelen van een natuurlijke ethanolproducent zodat het cellulose metaboliseert.

In mei maakten Lynd en zijn collega's melding van vooruitgang op beide fronten. Een team van de Universiteit van Stellenbosch in Zuid-Afrika dat met Lynd had samengewerkt, kondigde aan dat het een gist had ontworpen die alleen op cellulose kan overleven, de complexe moleculen afbreekt en de resulterende eenvoudige suikers fermenteert tot ethanol. Tegelijkertijd rapporteerde Lynd's groep de ontwikkeling van een thermofiele bacterie - een bacterie die van nature leeft in omgevingen met hoge temperaturen - waarvan het enige fermentatieproduct ethanol is. Andere organismen zijn ontwikkeld om vergelijkbare goocheltrucs uit te voeren bij normale temperaturen, maar Lynd's recombinante microbe doet dit bij de hoge temperaturen waar commerciële cellulasen het beste werken. We staan ​​veel dichter bij commercieel gebruik dan mensen denken, zegt Lynd, die geavanceerde ethanoltechnologie commercialiseert bij Mascoma, een startup in Cambridge, MA.

Anderen volgen een veel radicalere aanpak. Kort na de State of the Union-toespraak verliet Patrinos de DOE om president te worden van Synthetic Genomics, een startup in Rockville, MD, opgericht door Craig Venter, de iconoclastische bioloog die de particuliere inspanning leidde om het menselijk genoom te decoderen. Synthetic Genomics is op jacht naar een bacterie die alles zal doen, zoals Venter het stelt. Met financiering van Synthetic Genomics voegen wetenschappers van het J. Craig Venter Institute genen toe aan en trekken ze af van natuurlijke organismen met behulp van de recombinante technieken die door andere microbiële ingenieurs worden gebruikt. Op de lange termijn rekent Venter echter op een aanpak die meer past bij zijn reputatie als pionier. In plaats van bestaande organismen aan te passen om ethanol en andere potentiële biobrandstoffen te produceren, wil hij nieuwe bouwen.

Natuurlijke selectie, stelt Venter, ontwerpt geen levensvormen om de talrijke functies waarvoor hun genen coderen efficiënt uit te voeren, laat staan ​​om een ​​specifieke taak zoals de productie van ethanol uit te voeren. Bijgevolg gaat er enorm veel moeite en kosten zitten om uit te zoeken hoe complexe, vaak overbodige genetische paden, die miljarden jaren van evolutie in organismen hebben geëtst, kunnen worden uitgeschakeld. Waarom niet beginnen met een genoom dat slechts het minimale aantal genen heeft dat nodig is om het leven in stand te houden en daaraan toevoegen wat je nodig hebt? Met een synthetische cel heb je alleen de paden die je erin wilt hebben, zegt hij.

De benadering van Synthetic Genomics is gebaseerd op onderzoek dat Venter's Institute for Genomic Research heeft uitgevoerd op een micro-organisme genaamd Mycoplasma genitalium eind jaren negentig. De microbe, die in de menselijke urinewegen leeft, heeft slechts 517 genen. Hoewel dat het kleinste genoom is dat we ooit in een bekende levensvorm hebben gezien, toonden onderzoekers van Venter's groep aan dat het organisme kon overleven, zelfs nadat ze bijna de helft van zijn eiwitcoderende genen hadden uitgeschakeld (sommige genen coderen niet voor eiwitten, maar voor andere biomoleculen die regulerend werken). functies binnen de cel). Met de DNA-sequentie van dit minimale genoom als leidraad proberen ze nu een kunstmatig chromosoom te synthetiseren dat, ingebracht in een uitgeholde cel, zal leiden tot een levensvatbare levensvorm. Als ze eenmaal over deze eerste hindernis zijn, zijn ze van plan om gesynthetiseerde, taakspecifieke genetische paden in het genoom te bouwen, net zoals je software op het besturingssysteem van een computer zou kunnen laden. In plaats van spreadsheets te maken of tekst te verwerken, zou dergelijke biologisch gebaseerde software de cel instrueren om cellulose af te breken om ethanol te produceren of andere nuttige functies uit te voeren. Dit is een totaal nieuw veld dat op het punt staat te ontploffen, zegt Venter.

Onder biobrandstoffen is ethanol de gevestigde koploper, maar verschillende soorten microben produceren ook waterstof, methaan, biodiesel en zelfs elektriciteit - wat betekent dat ze genetisch gemanipuleerd kunnen worden om meer van deze hulpbronnen te produceren. Aan de University of California, Berkeley, stellen bio-ingenieur Jay Keasling en zijn collega's voor om organismen te ontwerpen die een brandstof uitpompen die geen natuurlijke microbe maakt, een die een aantal aantrekkelijke voordelen biedt ten opzichte van ethanol: benzine. De deugden als brandstof zijn natuurlijk bewezen, en het vermogen om het te produceren uit afvalhout en oud papier, wat volgens Keasling haalbaar is, zou de afhankelijkheid van landen van buitenlandse olie kunnen verminderen. En in tegenstelling tot ethanol, dat in water oplosbaar is en in vrachtwagens moet worden vervoerd om te voorkomen dat het water in leidingen opzuigt, kan biologisch gegenereerd octaan op een economische manier naar de consument worden geleid, net als het huidige gas.

Ethanol heeft een plaats, maar het is waarschijnlijk niet de beste brandstof op de lange termijn, zegt Keasling. Mensen gebruiken het al heel lang om wijn en bier te maken. Maar er is geen reden om genoegen te nemen met een brandstof van 5.000 jaar oud.

Op korte termijn is enige vooruitgang op het gebied van biologie en techniek nodig voordat brandstoffen uit biomassa praktisch en concurrerend zullen zijn met fossiele brandstoffen. Maar op de langere termijn, zegt Venter, worden we vooral beperkt door onze verbeeldingskracht, niet door de grenzen van de biologie.

Het meest recente boek van Jamie Shreeve is: De genoomoorlog .

zich verstoppen