„Life“ pertvarkymas siekiant gaminti etanolį

Sausio 31 d. Ari Patrinos sėdėjo savo svetainėje Rokvilyje, MD, klausėsi kalbos apie Sąjungos padėtį ir lėtai linktelėjo. Staiga jis pabudo.

Rekombinantinių Streptomyces bakterijų kolonijos yra sukurtos gaminti fermentus, vadinamus celiuliazėmis. Naudodamos šiuos fermentus, bakterijos gali suskaidyti celiuliozę gamindamos etanolį. (NREL / JAV Energetikos departamento / nuotraukų tyrinėtojų sutikimas)

Mes taip pat finansuosime papildomus tyrimus, skirtus pažangiems etanolio gamybos metodams, per televiziją sakė prezidentas Bushas ne tik iš kukurūzų, bet ir iš medžio drožlių, stiebų ar žolės. Mūsų tikslas – per šešerius metus padaryti šį naują etanolį praktišką ir konkurencingą.

Ši istorija buvo mūsų 2006 m. liepos mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Skirtingai nei dauguma įstatymų leidėjų, kurie žaismingai plojo prezidento žodžiams, Patrinos tiksliai suprato, ką jie turėjo omenyje. Tiesą sakant, prieš kelias dienas jis pats juos atmetė įkyriu viršininko prašymu, nežinodamas, kad jie buvo skirti kalbai apie Sąjungos padėtį. Patrinosas, tuometinis JAV Energetikos departamento Biologinių ir aplinkos tyrimų biuro direktorius, daugelį metų reklamavo celiuliozės etanolį kaip alternatyvų energijos šaltinį, tačiau sulaukė abejingumo ar pašaipų. Dabar, regis, tuo įsitikino net patys draugiškiausi politikai.

Etanolio kuro gamyba iš biomasės yra patraukli dėl daugelio priežasčių. Augant dujų kainoms ir nerimaujant dėl ​​ilgalaikio užsienio naftos prieinamumo, biokuro gamybai skirtų žaliavų vidaus pasiūla atrodo beveik neribota. Tuo tarpu anglies dioksido kiekis, išmetamas į atmosferą kasmet deginant iškastinį kurą, visame pasaulyje padidės nuo maždaug 24 milijardų metrinių tonų 2002 m. iki 33 milijardų metrinių tonų 2015 m. į bendrą anglies kiekį atmosferoje, nes proceso metu išsiskiriantis anglies dioksidas yra maždaug lygus kiekiui, kurį sugeria augalai, naudojami kitam galonui gaminti.

Multimedija

• Vaizdo įrašas: mokslininkai kalba apie visuotinio atšilimo grėsmę ir kaip su ja kovoti.

Vargu ar etanolio naudojimas automobilių degalams yra nauja idėja (žr. Brazil's Bounty) . Nuo praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio pradžios energetikos krizės mokesčių paskatos padidino etanolio gamybą; 2005 m. ji pasiekė keturis milijardus galonų per metus. Tačiau tai vis tiek reiškia tik 3 procentus kuro amerikietiškuose dujų bakuose. Viena iš riboto etanolio naudojimo priežasčių yra ta, kad Jungtinėse Valstijose jis gaminamas beveik vien tik iš kukurūzų krakmolo; procesas yra neefektyvus ir konkuruoja su kitais kukurūzų panaudojimo būdais žemės ūkyje. Nors kukurūzų branduoliuose esantį krakmolą gana lengva paversti cukrumi, reikalingu etanoliui gaminti, degalų išeiga yra maža, palyginti su energijos kiekiu, sunaudojamu auginant ir nuimant derlių. Apdorojant etanolį iš celiuliozės (kviečių ir ryžių šiaudų, žolės, popieriaus masės, žemės ūkio atliekų, tokių kaip kukurūzų burbuolės ir lapai), iš to paties žemės ploto galima išspausti bent dvigubai daugiau degalų, nes per vieną kartą gaunama daug daugiau biomasės. akrų. Be to, taikant tokį metodą būtų naudojamos žaliavos, kurios kitu atveju iš esmės būtų bevertės.

Celiuliozės pavertimas etanoliu apima du pagrindinius veiksmus: ilgų celiuliozės molekulių grandinių suskaidymą į gliukozę ir kitus cukrus ir šių cukrų fermentavimą į etanolį. Gamtoje šiuos procesus vykdo įvairūs organizmai: grybai ir bakterijos, kurie fermentais (celiulaze) išlaisvina celiuliozės cukrų, ir kiti mikrobai, pirmiausia mielės, fermentuojantys cukrų į alkoholį.

2004 m. Iogen, Kanados biotechnologijų įmonė, įsikūrusi Otavoje, pradėjo pardavinėti nedidelius kiekius celiuliozės etanolio, pagaminto naudojant paprastųjų kviečių šiaudus kaip žaliavą ir atogrąžų grybą, genetiškai sustiprintą, kad padidintų celiuliozę virškinančių fermentų gamybą. Tačiau „Iogen“ apskaičiavo, kad jos pirmoji plataus masto komercinė gamykla, kuriai ji tikisi prasibrauti 2007 m., kainuos 300 mln.

Kuo daugiau bus galima jaudintis su etanolį gaminančiais mikrobais, kad sumažėtų konversijos proceso etapų skaičius, tuo mažesnės išlaidos ir tuo greičiau celiuliozės etanolis taps komerciškai konkurencingas. Pavyzdžiui, tradicinėje gamyboje etanolis turi būti nuolat šalinamas iš fermentacijos reaktorių, nes mielės negali toleruoti per daug jo. MIT chemijos inžinerijos profesorius Gregas Stephanopoulosas sukūrė mieles, kurios gali toleruoti 50 procentų daugiau etanolio. Tačiau, anot jo, tokia genų inžinerija apima ne tik vieno ar dviejų genų sujungimą. Klausimas ne tas, ar galime sukurti organizmą, gaminantį etanolį, sako Stephanopoulos. Taip galime sukurti visą reakcijų tinklą, skirtą įvairiems cukrams paversti etanoliu su dideliu derliumi ir produktyvumu. Etanolio tolerancija yra sistemos, o ne vieno geno savybė. Jei norime padidinti bendrą derlių, turime vienu metu manipuliuoti daugybe genų.

Idealus organizmas viską padarytų – skaidytų celiuliozę kaip bakterija, fermentuotų cukrų kaip mieles, toleruotų dideles etanolio koncentracijas, o didžiąją dalį medžiagų apykaitos resursų skirtų tik etanolio gamybai. Yra dvi strategijos, kaip sukurti tokią universalią klaidą. Vienas iš jų yra modifikuoti esamą mikrobą, pridedant norimus genetinius kelius iš kitų organizmų ir išmušant nepageidaujamus; kita – pradėti nuo švaraus nuluptos sintetinės ląstelės šiferio ir beveik nuo nulio sukurti pritaikytą genomą.

Lee Lyndas, Dartmuto universiteto inžinerijos profesorius, lažinasi dėl pirmojo požiūrio. Jis ir jo kolegos nori sujungti daugybę biologiškai tarpininkaujamų etanolio gamybos etapų į vieną. Jis sako, kad tai yra potencialiai žaidimą keičiantis proveržis pigiai apdorojant celiuliozės biomasę. Strategija galėtų apimti arba modifikuoti organizmą, kuris natūraliai metabolizuoja celiuliozę, kad jis gamintų daug etanolio, arba sukurti natūralų etanolio gamintoją, kad jis metabolizuotų celiuliozę.

Šią gegužę Lyndas ir jo kolegos pranešė apie pažangą abiejose srityse. Stellenbosch universiteto Pietų Afrikoje komanda, bendradarbiavusi su Lynd, paskelbė sukūrusi mieles, kurios gali išgyventi tik vartodamos celiuliozę, suardydamos sudėtingas molekules ir fermentuodami gautus paprastus cukrus į etanolį. Tuo pačiu metu Lynd grupė pranešė sukūrusi termofilinę bakteriją – tokią, kuri natūraliai gyvena aukštos temperatūros aplinkoje – kurios vienintelis fermentacijos produktas yra etanolis. Kiti organizmai buvo sukurti taip, kad galėtų atlikti panašius rankų veiksmus esant normaliai temperatūrai, tačiau Lynd rekombinantinis mikrobas tai daro esant aukštai temperatūrai, kur geriausiai veikia komercinės celiulazės. Esame daug arčiau komercinio naudojimo, nei žmonės galvoja, sako Lyndas, komercializuojantis pažangias etanolio technologijas Mascoma, Kembridže, MA.

Kiti laikosi kur kas radikalesnio požiūrio. Netrukus po kalbos apie Sąjungos padėtį, Patrinos paliko DOE ir tapo „Synthetic Genomics“ startuolio Rokvilyje, MD, įkurto Craigas Venteris, ikonoklastinis biologas, vadovavęs privačioms pastangoms iššifruoti žmogaus genomą, prezidentu. „Synthetic Genomics“ karštai ieško bakterijos, kuri padarys viską, kaip sako Venteris. Finansuodami iš „Synthetic Genomics“, J. Craigo Venterio instituto mokslininkai sudeda ir atima genus iš natūralių organizmų, naudodami rekombinantinius metodus, kuriuos taiko kiti mikrobų inžinieriai. Tačiau ilgainiui Venteris tikisi požiūrio, kuris labiau atitiks jo, kaip pirmūno, reputaciją. Užuot modifikavęs esamus organizmus, gamindamas etanolį ir kitus potencialius biokurus, jis nori kurti naujus.

Natūrali atranka, teigia Venteris, nekuria gyvybės formų, kad efektyviai atliktų daugybę jų genų užkoduotų funkcijų, o tuo labiau, kad atliktų tam tikrą užduotį, pavyzdžiui, etanolio gamybą. Todėl reikia įdėti daug pastangų ir išlaidų, siekiant išsiaiškinti, kaip uždaryti sudėtingus, dažnai perteklinius genetinius kelius, kuriuos milijardus metų trukusi evoliucija išgraviravo į organizmus. Kodėl gi nepradėjus nuo genomo, kuris turi tik minimalų skaičių genų, reikalingų gyvybei palaikyti, ir nepridėjus prie jo tai, ko jums reikia? Naudodami sintetinę ląstelę, jūs turite tik tuos kelius, kuriais norite ten būti, sako jis.

Sintetinės genomikos metodas pagrįstas tyrimais, kuriuos Venterio genominių tyrimų institutas atliko dėl mikroorganizmo, vadinamo Mycoplasma genitalium dešimtojo dešimtmečio pabaigoje. Mikrobas, gyvenantis žmogaus šlapimo takuose, turi tik 517 genų. Nors tai yra mažiausias genomas, pastebėtas bet kurioje žinomoje gyvybės formoje, Venterio grupės mokslininkai įrodė, kad organizmas gali išgyventi net tada, kai išmušė beveik pusę jo baltymus koduojančių genų (kai kurie genai koduoja ne baltymus, o kitas biomolekules, atliekančias reguliavimą). funkcijos ląstelės viduje). Naudodami šio minimalaus genomo DNR seką kaip vadovą, jie dabar bando susintetinti dirbtinę chromosomą, kuri, įterpta į tuščiavidurę ląstelę, sukels gyvybingą gyvybės formą. Įveikę šią pirmąją kliūtį, jie planuoja sukurti susintetintus, konkrečioms užduotims būdingus genetinius kelius į genomą, panašiai kaip galima įkelti programinę įrangą į kompiuterio operacinę sistemą. Tačiau užuot kūrę skaičiuokles ar apdorojus tekstą, tokia biologiškai pagrįsta programinė įranga nurodytų ląstelei suskaidyti celiuliozę, kad susidarytų etanolis arba atliktų kitas naudingas funkcijas. Tai visiškai nauja sritis ant sprogimo slenksčio, sako Venteris.

Tarp biokuro etanolis yra nusistovėjęs lyderis, tačiau įvairių tipų mikrobai taip pat gamina vandenilį, metaną, biodyzeliną ir net elektros energiją – tai reiškia, kad jie gali būti genetiškai modifikuoti, kad išgautų daugiau šių išteklių. Kalifornijos universitete Berklyje bioinžinierius Jay'us Keaslingas ir jo kolegos siūlo sukurti organizmus, kurie išpumpuotų kurą, kurio negamina joks natūralūs mikrobai, o tai turi viliojančių pranašumų, palyginti su etanoliu: benzinu. Žinoma, jo, kaip kuro, dorybės yra įrodytos, o galimybė gaminti jį iš medienos atliekų ir makulatūros, o tai, Keaslingo nuomone, yra įmanoma, galėtų sumažinti šalių priklausomybę nuo užsienio naftos. Ir skirtingai nei etanolis, kuris yra tirpus vandenyje ir turi būti gabenamas sunkvežimiais, kad jis nepatrauktų vandens į vamzdžius, biologiškai susidaręs oktanas galėtų būti ekonomiškai tiekiamas vartotojams vamzdžiais, kaip ir šiandieninės dujos.

Etanolis turi savo vietą, bet tikriausiai tai nėra geriausias kuras ilgainiui, sako Keaslingas. Žmonės jį ilgą laiką naudojo vynui ir alui gaminti. Tačiau nėra jokios priežasties tenkintis 5000 metų senumo degalais.

Artimiausiu metu reikia šiek tiek pažangos biologijos ir inžinerijos srityse, kad iš biomasės pagamintas kuras taptų praktiškas ir konkurencingas su iškastiniu kuru. Tačiau ilgesniu laikotarpiu, sako Venteris, mus daugiausia riboja mūsų vaizduotė, o ne biologijos ribos.

Naujausia Jamie Shreeve knyga yra Genomo karas .

paslėpti