Redesign Life to Make Ethanol

31. ledna seděl Ari Patrinos ve svém obývacím pokoji v Rockville, MD, poslouchal projev o stavu Unie a pomalu přikyvoval. Najednou se probudil.

Kolonie rekombinantních bakterií Streptomyces jsou navrženy tak, aby produkovaly enzymy zvané celulázy. Pomocí těchto enzymů mohou bakterie rozkládat celulózu na cestě k produkci etanolu. (S laskavým svolením NREL/U.S. Dept. of Energy/Photo Researchers)

Budeme také financovat další výzkum špičkových metod výroby etanolu, řekl prezident Bush v televizi, nejen z kukuřice, ale z dřevěných štěpků a stébel nebo prosa. Naším cílem je učinit tento nový druh etanolu praktickým a konkurenceschopným do šesti let.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z července 2006

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Na rozdíl od většiny zákonodárců, kteří prezidentova slova herně tleskali, Patrinos přesně chápal, co tím mysleli. Ve skutečnosti si je sám sundal před několika dny na utrápenou žádost svého šéfa, aniž by tušil, že jsou určeny pro projev o stavu Unie. Patrinos, tehdejší zástupce ředitele Úřadu biologického a environmentálního výzkumu amerického ministerstva energetiky, léta nabízel celulózový etanol jako alternativní zdroj energie, jen aby se setkal s lhostejností nebo výsměchem. Nyní se zdálo, že i ti nejpetropřátelštější politici byli přesvědčeni.

Výroba etanolového paliva z biomasy je atraktivní z řady důvodů. V době prudce rostoucích cen plynu a obav z dlouhodobé dostupnosti zahraniční ropy se domácí nabídka surovin pro výrobu biopaliv jeví téměř neomezená. Mezitím se odhaduje, že množství oxidu uhličitého ročně vypouštěného do atmosféry spalováním fosilních paliv celosvětově vzroste z přibližně 24 miliard metrických tun v roce 2002 na 33 miliard metrických tun v roce 2015. Spálení galonu etanolu na druhou stranu jen málo přidá k celkovému uhlíku v atmosféře, protože oxid uhličitý uvolněný v procesu je zhruba stejný jako množství absorbované rostlinami použitými k výrobě dalšího galonu.

Multimédia

• Video: Vědci hovoří o hrozbě globálního oteplování a o tom, jak se s ním vypořádat.

Používání etanolu jako paliva pro automobily není nic nového (viz Brazil's Bounty) . Od energetické krize na počátku 70. let 20. století vytlačily daňové pobídky produkci etanolu nahoru; v roce 2005 dosáhl čtyř miliard galonů ročně. To ale stále znamená pouhá 3 procenta paliva v amerických plynových nádržích. Jedním z důvodů omezeného používání etanolu je to, že ve Spojených státech se vyrábí téměř výhradně z kukuřičného škrobu; proces je neefektivní a konkuruje jiným zemědělským způsobům využití kukuřice. I když je relativně snadné přeměnit škrob v kukuřičných zrnech na cukry potřebné k výrobě etanolu, výtěžnost paliva je nízká ve srovnání s množstvím energie, která se spotřebuje na pěstování a sklizeň plodin. Zpracování etanolu z celulózy – pšeničné a rýžové slámy, prosa prosa, papírové drti, zemědělských odpadních produktů, jako jsou kukuřičné klasy a listy – má potenciál vytlačit alespoň dvojnásobek paliva ze stejné plochy půdy, protože je k dispozici mnohem více biomasy. akr. Navíc by takový přístup používal suroviny, které jsou jinak v podstatě bezcenné.

Přeměna celulózy na etanol zahrnuje dva základní kroky: rozbití dlouhých řetězců molekul celulózy na glukózu a další cukry a fermentaci těchto cukrů na etanol. V přírodě tyto procesy provádějí různé organismy: houby a bakterie, které používají enzymy (celulázy) k uvolnění cukru v celulóze, a další mikroby, především kvasinky, které fermentují cukry na alkohol.

V roce 2004 začala Iogen, kanadská biotechnologická společnost se sídlem v Ottawě, prodávat skromná množství celulózového etanolu, vyrobeného z běžné pšeničné slámy jako suroviny a tropické houby geneticky vylepšené tak, aby nadměrně produkovala své celulózové štěpící enzymy. Společnost Iogen však odhaduje, že její první komerční továrna v plném rozsahu, u níž doufá, že se prosadí v roce 2007, bude stát 300 milionů dolarů – pětinásobek nákladů na konvenční zařízení na výrobu etanolu podobné velikosti.

Čím více se lze potýkat s mikroby produkujícími etanol, aby se snížil počet kroků v procesu konverze, tím nižší budou náklady a tím dříve se celulózový etanol stane komerčně konkurenceschopným. Při konvenční výrobě se například z fermentačních reaktorů musí neustále odstraňovat etanol, protože ho kvasinky nesnesou příliš mnoho. Greg Stephanopoulos z MIT, profesor chemického inženýrství, vyvinul kvasinku, která snese o 50 procent více etanolu. Ale říká, že takové genetické inženýrství zahrnuje víc než jen sestřih jednoho nebo dvou genů. Otázkou není, zda dokážeme vytvořit organismus, který vyrábí etanol, říká Stephanopoulos. Je to způsob, jak můžeme navrhnout celou síť reakcí pro přeměnu různých cukrů na etanol při vysokých výtěžcích a produktivitě. Tolerance etanolu je vlastností systému, nikoli jednoho genu. Pokud chceme zvýšit celkový výnos, musíme manipulovat s mnoha geny současně.

Ideální organismus by udělal vše – rozložil celulózu jako bakterie, fermentoval cukr jako kvasinky, toleroval vysoké koncentrace etanolu a většinu svých metabolických zdrojů by věnoval pouze výrobě etanolu. Existují dvě strategie pro vytvoření takové univerzální chyby. Jedním z nich je modifikace existujícího mikroba přidáním požadovaných genetických cest z jiných organismů a vyřazením těch nežádoucích; druhý je začít s čistým štítem svlečené syntetické buňky a vytvořit vlastní genom téměř od nuly.

Lee Lynd, profesor inženýrství na Dartmouth University, sází na první přístup. On a jeho kolegové chtějí shrnout mnoho biologicky zprostředkovaných kroků spojených s výrobou etanolu do jednoho. Toto je potenciálně zásadní průlom v oblasti levného zpracování celulózové biomasy, říká. Strategie by mohla zahrnovat buď modifikaci organismu, který přirozeně metabolizuje celulózu tak, aby produkoval vysoké výtěžky ethanolu, nebo úpravu přirozeného výrobce ethanolu tak, aby metabolizoval celulózu.

Letos v květnu Lynd a jeho kolegové informovali o pokroku na obou frontách. Tým z University of Stellenbosch v Jižní Africe, který spolupracoval s Lyndem, oznámil, že navrhl kvasinku, která může přežít pouze na celulóze, rozkládat složité molekuly a fermentovat výsledné jednoduché cukry na etanol. Ve stejnou dobu Lyndova skupina oznámila, že vytvořila termofilní bakterii – takovou, která přirozeně žije v prostředí s vysokou teplotou – jejímž jediným fermentačním produktem je etanol. Jiné organismy byly navrženy tak, aby prováděly podobné úskoky při normálních teplotách, ale Lyndův rekombinantní mikrob tak činí při vysokých teplotách, kdy komerční celulázy fungují nejlépe. Jsme mnohem blíže komerčnímu využití, než si lidé myslí, říká Lynd, který komercializuje pokročilou technologii etanolu v Mascoma, startupu v Cambridge, MA.

Jiní prosazují mnohem radikálnější přístup. Brzy po projevu o stavu Unie Patrinos opustil DOE, aby se stal prezidentem Synthetic Genomics, startupu v Rockville, MD, založeného Craigem Venterem, ikonoklastickým biologem, který vedl soukromé úsilí o dekódování lidského genomu. Synthetic Genomics je v horlivé honbě za bakterií, která udělá všechno, jak říká Venter. S financováním od Synthetic Genomics vědci z Institutu J. Craiga Ventera přidávají a odečítají geny z přírodních organismů pomocí rekombinantních technik používaných jinými mikrobiálními inženýry. Z dlouhodobého hlediska však Venter počítá s přístupem, který více odpovídá jeho pověsti průkopníka. Spíše než modifikovat stávající organismy na výrobu etanolu a dalších potenciálních biopaliv, chce budovat nové.

Přirozený výběr, tvrdí Venter, nenavrhuje formy života tak, aby efektivně vykonávaly mnohočetné funkce, které jejich geny kódují, natož aby prováděly specializované úkoly, jako je produkce etanolu. V důsledku toho je vynaloženo obrovské množství úsilí a nákladů na to, abychom zjistili, jak vypnout složité, často nadbytečné genetické dráhy, které miliardy let evoluce vryly do organismů. Proč nezačít s genomem, který má jen minimální počet genů potřebných k udržení života, a nepřidat k němu to, co potřebujete? U syntetické buňky tam máte pouze cesty, které tam chcete mít, říká.

Přístup Synthetic Genomics je založen na výzkumu, který Venterův institut pro výzkum genomu provedl na mikroorganismu tzv. Mycoplasma genitalium koncem 90. let 20. století. Mikrob, který přebývá v lidských močových cestách, má pouze 517 genů. I když se jedná o nejmenší genom pozorovaný u jakékoli známé formy života, vědci z Venterovy skupiny ukázali, že organismus může přežít i poté, co vyřadili téměř polovinu jeho genů kódujících proteiny (některé geny nekódují proteiny, ale jiné biomolekuly, které provádějí regulační funkce v buňce). Pomocí sekvence DNA tohoto minimálního genomu jako vodítka se nyní pokoušejí syntetizovat umělý chromozom, který po vložení do vyhloubené buňky povede k životaschopné formě života. Jakmile překonají tuto první překážku, plánují zabudovat do genomu syntetizované genetické cesty specifické pro daný úkol, podobně jako by se dal nahrávat software do operačního systému počítače. Spíše než vytváření tabulek nebo zpracování textu by však takový biologicky založený software dal buňce pokyn, aby rozložila celulózu za vzniku etanolu nebo provedla jiné užitečné funkce. Toto je zcela nové pole na pokraji exploze, říká Venter.

Mezi biopalivy je zavedeným průkopníkem etanol, ale různé druhy mikrobů také produkují vodík, metan, bionaftu a dokonce elektřinu – což znamená, že by mohly být geneticky upraveny tak, aby produkovaly více těchto zdrojů. Na Kalifornské univerzitě v Berkeley bioinženýr Jay Keasling a jeho kolegové navrhují navrhnout organismy, které čerpají palivo, které žádný přirozený mikrob nevyrábí, takové, které nabízí některé lákavé výhody oproti etanolu: benzín. Jeho přednosti jako paliva jsou samozřejmě prokázány a schopnost vyrábět ho z odpadového dřeva a odpadového papíru, o kterém si Keasling myslí, že je proveditelné, by mohla snížit závislost zemí na zahraniční ropě. A na rozdíl od etanolu, který je rozpustný ve vodě a musí být přepravován v kamionech, aby nenabral vodu v potrubí, biologicky generovaný oktan by mohl být ekonomicky rozváděn ke spotřebitelům, stejně jako dnešní plyn.

Etanol má své místo, ale pravděpodobně to není z dlouhodobého hlediska nejlepší palivo, říká Keasling. Lidé jej již odedávna využívají k výrobě vína a piva. Ale není důvod, abychom se museli spokojit s 5000 let starým palivem.

V krátkodobém horizontu je zapotřebí určitého pokroku v biologii a inženýrství, než budou paliva vyrobená z biomasy praktická a konkurenceschopná s fosilními palivy. Ale z dlouhodobého hlediska, říká Venter, jsme omezeni většinou naší představivostí, nikoli limity biologie.

Nejnovější knihou Jamieho Shreeva je Válka s genomem .

skrýt