Dzīves pārveidošana, lai iegūtu etanolu

31. janvārī Ari Patrinos sēdēja savā viesistabā Rokvilā, MD, klausījās runu par stāvokli Savienībā un lēnām pamāja ar galvu. Pēkšņi viņš tika nomodā.

Rekombinanto Streptomyces baktēriju kolonijas ir paredzētas fermentu, ko sauc par celulāzēm, ražošanai. Izmantojot šos fermentus, baktērijas var sadalīt celulozi ceļā uz etanola ražošanu. (ar NREL/ASV Enerģētikas departamenta/fotopētnieku pieklājību)

Mēs arī finansēsim papildu pētījumus par visprogresīvākajām etanola ražošanas metodēm, televīzijā sacīja prezidents Bušs ne tikai no kukurūzas, bet arī no koka skaidām un kātiem vai stiebrzāles. Mūsu mērķis ir sešu gadu laikā padarīt šo jauno etanola veidu praktisku un konkurētspējīgu.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2006. gada jūlija numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Atšķirībā no vairuma likumdevēju, kuri jautri aplaudēja prezidenta vārdiem, Patrinos precīzi saprata, ko viņi domāja. Faktiski viņš vairākas dienas iepriekš pēc sava priekšnieka niknā lūguma tos bija noraidījis, nezinot, ka tie bija paredzēti runai par stāvokli Savienībā. Patrinoss, toreizējais ASV Enerģētikas departamenta Bioloģisko un vides pētījumu biroja direktors, gadiem ilgi bija reklamējis celulozes etanolu kā alternatīvu enerģijas avotu, tikai sastapa vienaldzību vai izsmieklu. Tagad šķita, ka par to pārliecinājās pat naftas draudzīgākais politiķis.

Etanola degvielas ražošana no biomasas ir pievilcīga vairāku iemeslu dēļ. Laikā, kad strauji aug gāzes cenas un bažas par ārvalstu naftas ilgtermiņa pieejamību, iekšzemes biodegvielas ražošanas izejvielu piedāvājums šķiet gandrīz neierobežots. Tikmēr tiek prognozēts, ka oglekļa dioksīda daudzums, kas ik gadu tiek izmests atmosfērā, sadedzinot fosilo kurināmo, visā pasaulē pieaugs no aptuveni 24 miljardiem tonnu 2002. gadā līdz 33 miljardiem metrisko tonnu 2015. gadā. No otras puses, viena galona etanola sadedzināšana neko nedod. uz kopējo oglekļa daudzumu atmosfērā, jo procesā izdalītais oglekļa dioksīds ir aptuveni vienāds ar daudzumu, ko absorbē augi, ko izmanto nākamā galona ražošanai.

Multivide

• Video: Zinātnieki runā par globālās sasilšanas draudiem un to, kā ar tiem cīnīties.

Diez vai etanola izmantošana automašīnu degvielai nav jauna ideja (skatiet Brazil's Bounty) . Kopš enerģētikas krīzes 1970. gadu sākumā nodokļu atvieglojumi ir palielinājuši etanola ražošanu; 2005. gadā tas sasniedza četrus miljardus galonu gadā. Bet tas joprojām nozīmē tikai 3 procentus no degvielas amerikāņu gāzes tvertnēs. Viens no iemesliem ierobežotai etanola izmantošanai ir tas, ka Amerikas Savienotajās Valstīs tas ir izgatavots gandrīz tikai no kukurūzas cietes; process ir neefektīvs un konkurē ar citiem kukurūzas izmantošanas veidiem lauksaimniecībā. Lai gan kukurūzas graudos esošo cieti ir salīdzinoši viegli pārvērst cukuros, kas nepieciešami etanola ražošanai, degvielas raža ir zema, salīdzinot ar enerģijas daudzumu, kas tiek patērēts ražas audzēšanai un ražas novākšanai. Apstrādājot etanolu no celulozes – kviešu un rīsu salmiem, sārtām, papīra masas, lauksaimniecības atkritumiem, piemēram, kukurūzas vālītēm un lapām, no vienas zemes platības var izspiest vismaz divreiz vairāk degvielas, jo ir pieejams tik daudz vairāk biomasas. akrs. Turklāt šāda pieeja izmantotu izejvielas, kas citādi būtībā ir nevērtīgas.

Celulozes pārvēršana etanolā ietver divus pamata soļus: celulozes molekulu garo ķēžu sadalīšanu glikozē un citos cukuros un šo cukuru raudzēšanu etanolā. Dabā šos procesus veic dažādi organismi: sēnītes un baktērijas, kas izmanto fermentus (celulāzes), lai atbrīvotu cukuru no celulozes, un citi mikrobi, galvenokārt raugi, kas fermentē cukurus spirtā.

2004. gadā Iogen, Kanādas biotehnoloģijas uzņēmums, kas atrodas Otavā, sāka pārdot nelielu daudzumu celulozes etanola, kas izgatavots, izmantojot parasto kviešu salmus kā izejvielu un tropu sēnīti, kas ģenētiski uzlabota, lai palielinātu celulozi sagremojošo enzīmu ražošanu. Taču Iogen lēš, ka tās pirmā pilna mēroga komerciālā rūpnīca, kurai tā cer izcelties 2007. gadā, maksās 300 miljonus ASV dolāru, kas ir piecas reizes lielākas nekā parasta līdzīga izmēra etanola iekārta, ko baro ar kukurūzu.

Jo vairāk var ķerties klāt etanolu ražojošajiem mikrobiem, lai samazinātu konversijas procesa posmu skaitu, jo zemākas būs izmaksas un jo ātrāk celulozes etanols kļūs komerciāli konkurētspējīgs. Tradicionālajā ražošanā, piemēram, etanols ir nepārtraukti jāizņem no fermentācijas reaktoriem, jo ​​raugi nevar paciest pārāk daudz tā. Ķīmijas inženierijas profesors MIT Gregs Stephanopoulos ir izstrādājis raugu, kas var paciest par 50 procentiem vairāk etanola. Bet viņš saka, ka šāda gēnu inženierija ietver vairāk nekā tikai viena vai divu gēna savienošanu. Jautājums nav par to, vai mēs varam izveidot organismu, kas ražo etanolu, saka Stephanopoulos. Tas ir veids, kā mēs varam izveidot veselu reakciju tīklu, lai pārvērstu dažādus cukurus etanolā ar augstu ražu un produktivitāti. Etanola tolerance ir sistēmas īpašība, nevis viens gēns. Ja mēs vēlamies palielināt kopējo ražu, mums vienlaikus ir jāmanipulē ar daudziem gēniem.

Ideāls organisms darītu visu – šķeltu celulozi kā baktērijas, raudzētu cukuru kā raugu, panes augstu etanola koncentrāciju un lielāko daļu vielmaiņas resursu veltītu tikai etanola ražošanai. Šādas universālas kļūdas izveidei ir divas stratēģijas. Viens no tiem ir modificēt esošu mikrobu, pievienojot vēlamos ģenētiskos ceļus no citiem organismiem un izsitot nevēlamos; otrs ir sākt ar tīru šīfera sintētisku šūnu un izveidot pielāgotu genomu gandrīz no nulles.

Lī Linds, Dartmutas universitātes inženierzinātņu profesors, liek derības uz pirmo pieeju. Viņš un viņa kolēģi vēlas daudzos bioloģiski mediētos soļus, kas saistīti ar etanola ražošanu, apvienot vienā. Viņš saka, ka tas ir potenciāli mainošs sasniegums celulozes biomasas zemu izmaksu apstrādē. Stratēģija varētu ietvert vai nu tāda organisma modificēšanu, kas dabiski metabolizē celulozi, lai tas ražotu augstu etanola daudzumu, vai arī dabiska etanola ražotāja konstruēšanu, lai tas metabolizētu celulozi.

Šī gada maijā Linds un viņa kolēģi ziņoja par sasniegumiem abās frontēs. Komanda no Stellenbosch Universitātes Dienvidāfrikā, kas bija sadarbojusies ar Lynd, paziņoja, ka tā ir izstrādājusi raugu, kas spēj izdzīvot tikai ar celulozi, sadalot sarežģītās molekulas un raudzējot iegūtos vienkāršos cukurus etanolā. Tajā pašā laikā Linda grupa ziņoja, ka ir izstrādāta termofīla baktērija, kas dabiski dzīvo augstas temperatūras vidē, kuras vienīgais fermentācijas produkts ir etanols. Citi organismi ir konstruēti tā, lai veiktu līdzīgas manipulācijas ar roku normālā temperatūrā, bet Lynd rekombinantais mikrobs to dara augstās temperatūrās, kur vislabāk darbojas komerciālās celulāzes. Mēs esam daudz tuvāk komerciālai izmantošanai, nekā cilvēki domā, saka Linds, kurš komercializē progresīvas etanola tehnoloģijas Mascoma, starta uzņēmumā Kembridžā, MA.

Citi izmanto daudz radikālāku pieeju. Drīz pēc runas par stāvokli Savienībā Patrinoss pameta DOE, lai kļūtu par Synthetic Genomics prezidentu — jaunizveidotā uzņēmuma Rokvilā, MD, kuru dibināja Kreigs Venters, ikonoklastiskais biologs, kurš vadīja privātos centienus atšifrēt cilvēka genomu. Synthetic Genomics karsti tiecas pēc baktērijas, kas darīs visu, kā to saka Venters. Ar finansējumu no Synthetic Genomics J. Craig Venter institūta zinātnieki pievieno un atņem gēnus no dabīgiem organismiem, izmantojot rekombinantās metodes, ko izmanto citi mikrobu inženieri. Tomēr ilgtermiņā Venters paļaujas uz pieeju, kas vairāk atbilst viņa kā celmlauža reputācijai. Tā vietā, lai pārveidotu esošos organismus, lai ražotu etanolu un citas iespējamās biodegvielas, viņš vēlas izveidot jaunus.

Dabiskā atlase, apgalvo Venter, neveido dzīvības formas, lai efektīvi veiktu daudzās to gēnos iekodētās funkcijas, un vēl jo mazāk, lai veiktu īpašu uzdevumu, piemēram, etanola ražošanu. Līdz ar to milzīgs pūļu un izdevumu apjoms tiek ieguldīts, lai izdomātu, kā slēgt sarežģītus, bieži vien liekus ģenētiskos ceļus, kurus miljardiem gadu ilga evolūcija ir iegravējusi organismos. Kāpēc gan nesākt ar genomu, kurā ir tikai minimālais gēnu skaits, kas nepieciešams dzīvības uzturēšanai, un nepievienot tam nepieciešamo? Viņš saka, ka, izmantojot sintētisko šūnu, jums ir tikai tie ceļi, kuros vēlaties būt.

Sintētiskās genomikas pieeja ir balstīta uz pētījumiem, ko Ventera Genomikas pētniecības institūts veica par mikroorgānismu, ko sauc par Mycoplasma genitalium 90. gadu beigās. Mikrobam, kas mīt cilvēka urīnceļos, ir tikai 517 gēni. Lai gan tas ir mazākais genoms, kas novērots jebkurā zināmā dzīvības formā, Ventera grupas pētnieki parādīja, ka organisms var izdzīvot pat pēc tam, kad tie ir izsituši gandrīz pusi no tā proteīnus kodējošiem gēniem (daži gēni kodē nevis olbaltumvielas, bet citas biomolekulas, kas veic regulējošos funkcijas. funkcijas šūnā). Izmantojot šī minimālā genoma DNS secību kā ceļvedi, viņi tagad mēģina sintezēt mākslīgu hromosomu, kas, ievietota izdobtā šūnā, novedīs pie dzīvotspējīgas dzīvības formas. Tiklīdz viņi ir pārvarējuši šo pirmo šķērsli, viņi plāno genomā izveidot sintezētus, uzdevumam raksturīgus ģenētiskus ceļus, līdzīgi tam, kā var ielādēt programmatūru datora operētājsistēmā. Tomēr tā vietā, lai izveidotu izklājlapas vai veiktu tekstapstrādi, šāda bioloģiski balstīta programmatūra uzdotu šūnai sadalīt celulozi, lai ražotu etanolu vai veiktu citas noderīgas funkcijas. Šis ir pilnīgi jauns lauks uz sprādziena robežas, saka Venters.

Starp biodegvielām etanols ir atzīts par līderi, taču dažāda veida mikrobi ražo arī ūdeņradi, metānu, biodīzeļdegvielu un pat elektrību, kas nozīmē, ka tos varētu ģenētiski modificēt, lai iegūtu vairāk šo resursu. Kalifornijas universitātē Bērklijā bioinženieris Džejs Kīslings un viņa kolēģi ierosina izstrādāt organismus, kas izsūknē degvielu, ko neražo dabiski mikrobi, kas piedāvā dažas pievilcīgas priekšrocības salīdzinājumā ar etanolu — benzīnu. Protams, ir pierādīta tā kā degviela, un spēja to ražot no koksnes un makulatūras, kas, pēc Kīslinga domām, ir iespējama, varētu samazināt valstu atkarību no ārvalstu naftas. Un atšķirībā no etanola, kas šķīst ūdenī un ir jāpārvadā kravas automašīnās, lai tas neuzsūktu ūdeni caurulēs, bioloģiski radīto oktānskaitli varētu ekonomiski piegādāt patērētājiem, tāpat kā mūsdienu gāzi.

Etanolam ir vieta, taču tā, iespējams, nav labākā degviela ilgtermiņā, saka Kīslings. Cilvēki to jau ilgu laiku izmantojuši vīna un alus pagatavošanai. Taču mums nav iemesla samierināties ar 5000 gadus vecu degvielu.

Īstermiņā ir vajadzīgi daži sasniegumi bioloģijā un inženierzinātnēs, lai no biomasas ražotā degviela būtu praktiska un konkurētspējīga ar fosilo kurināmo. Bet ilgtermiņā, saka Venter, mūs galvenokārt ierobežo mūsu iztēle, nevis bioloģijas robežas.

Džeimija Šrīva jaunākā grāmata ir Genoma karš .

paslēpties