Alla ricerca del punto debole dei biocarburanti

L'autostrada Anhangüera a quattro corsie conduce a nord-ovest dalla capitale finanziaria del Brasile, San Paolo, in alcuni dei terreni agricoli più produttivi del mondo. La vista dal finestrino di un'auto rivela piantagioni di alberi di eucalipto peloso e pascoli di mucche pieni di termitai. Campi di canna da zucchero rotolano fuori dalla vista sulle cime delle colline.

Svolta a destra al chilometro 104,5 ed entri in Techno Park, un ordinato quartiere di ricerca aziendale che sembra essere stato strappato alla periferia della California. E in un certo senso lo ha fatto. In un edificio non lontano dall'ingresso ci sono file di postazioni di lavoro ben organizzate, serbatoi di fermentazione lucidi e centrifughe sferraglianti. Tutto questo macchinario è una replica quasi esatta dell'attrezzatura in una struttura a Emeryville, in California. Anche gli appendiabiti sono gli stessi.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2010

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L'edificio è l'avamposto brasiliano di Amyris Biotechnologies, un gruppo di ricerca statunitense celebrato per il suo lavoro grazie a una sovvenzione della Fondazione Bill e Melinda Gates per rendere più ampiamente disponibile uno scarso farmaco contro la malaria. Il suo fondatore, Jay Keasling, è considerato un pioniere della biologia sintetica e il progetto sulla malaria, che potrebbe salvare molte migliaia di vite, è apparso sul New Yorker. Lo scorso maggio, Keasling ha ricevuto il primo Biotech Humanitarian Award della Biotechnology Industry Organization.

Meno pubblicizzato è che Amyris ha raccolto più di 170 milioni di dollari in capitale di rischio per entrare nel business dei biocarburanti e che i suoi piani attuali prevedono di produrre quasi tutto quel carburante in Brasile. Roel Collier, un belga fluente in portoghese che dirige le operazioni brasiliane di Amyris, indica un serbatoio d'acciaio alto 12 metri in cui il lievito geneticamente modificato sta banchettando con il succo della canna da zucchero che è così abbondante in questo paese. Dentro c'è la tecnologia americana all'avanguardia applicata al vantaggio competitivo del Brasile, spiega.

Negli ultimi due anni, le responsabilità di Collier hanno incluso la spedizione di fusti di succo di canna da zucchero brasiliano congelato al laboratorio di Amyris in California, a circa 10.000 chilometri di distanza. Lì, gli scienziati hanno ricablato geneticamente le normali cellule di lievito per digerire il caldo de cana, come viene chiamato il succo, e trasformarlo in farnesene, un olio profumato che Amyris ha dimostrato può essere convertito in carburante diesel. Nel campo in rapida evoluzione della biologia sintetica, una disciplina che cerca di riscrivere il DNA dei microrganismi come se fosse un codice informatico, i laboratori californiani di Amyris sono considerati all'avanguardia. I ricercatori creano e testano decine di migliaia di ceppi di lievito ingegnerizzati ogni settimana. L'azienda impiega quasi tanti genetisti di lievito PhD come tutte le università in Brasile.

Materia prima: Una piantagione di canna da zucchero vicino alla città di Campinas. Ogni acro produce abbastanza succo di canna da zucchero per produrre 3.000 litri di etanolo.

Ma il Brasile offre ad Amyris un vantaggio fondamentale rispetto agli Stati Uniti: le condizioni economiche si prestano allo sfruttamento commerciale della tecnologia. Il Brasile è il produttore di zucchero più efficiente al mondo. Enormi cumuli si accumulano nelle 420 raffinerie di canna da zucchero del paese. Con il suo clima tropicale e la sua cultura imprenditoriale aggressiva, il paese domina il commercio mondiale dello zucchero. E enormi scorte di zucchero poco costoso sono la chiave per rendere pratica la tecnologia di Amyris.

Il motivo per andare in Brasile era abbastanza chiaro; è la fonte di zucchero più economica e più facilmente disponibile per alimentare la piattaforma tecnologica, afferma Keasling, professore di ingegneria biochimica presso l'Università della California, Berkeley, che dirige anche il Joint BioEnergy Institute, uno sforzo da 135 milioni di dollari finanziato dal Dipartimento di Energia per estrarre zuccheri da trucioli di legno, erba e altre sostanze vegetali poco costose. In 10-15 anni, il suo lavoro potrebbe rendere le molecole di zucchero tanto economiche da ottenere negli Stati Uniti quanto lo sono attualmente in Brasile. Per ora, però, l'industria statunitense dei biocarburanti continua a produrre etanolo facendo fermentare il glucosio nei chicchi di mais. E il mais è una fonte di zucchero relativamente costosa, come ha scoperto con angoscia l'industria americana dell'etanolo. Nonostante i sussidi dei contribuenti, i produttori statunitensi non sono stati in grado di realizzare profitti consistenti.

La storia è diversa in Brasile, dove i mulini di canna da zucchero hanno prodotto etanolo poco costoso da quando il governo ha lanciato una spinta per l'indipendenza del carburante negli anni '70. La flotta automobilistica del paese ora consuma più etanolo della benzina. Quasi il 90% delle auto prodotte in Brasile può funzionare con il biocarburante. L'industria ha capito che la geografia è destino, afferma Mark Bunger, direttore della ricerca presso Lux Research, un'azienda di New York che studia la commercializzazione delle tecnologie emergenti. Secondo Bunger, solo pochi posti sul pianeta hanno la pioggia, il sole e la massa terrestre necessari per produrre biocarburanti alla scala e al prezzo che possono avere un impatto reale. La comprensione a cui stiamo arrivando è che non accadrà mai in alcuni posti, dice, e il Brasile è il primo posto dove l'economia ha senso.

Amyris ha raggiunto una conclusione simile circa tre anni fa, quindi i suoi identici laboratori di fermentazione a Emeryville e in Brasile. Scienziati in California armeggiano con il lievito per farlo convertire più rapidamente lo zucchero in farnesene; quindi gli insetti vengono inviati per posta aerea a sud per essere testati in condizioni tropicali. Quest'anno, Amyris prevede di iniziare la costruzione di un imponente complesso di fermentazione nello stato brasiliano di Goiás. Al termine, dovrebbe essere in grado di produrre 100 milioni di litri di

gasolio verde ogni anno.

Come l'etanolo, il carburante di Amyris sarà prodotto dalla fermentazione dello zucchero. Ma gli scienziati dell'azienda hanno riprogettato il lievito in modo che i microbi lo trasformino in idrocarburi combustibili invece dell'alcol. Ciò significa che la concorrenza per il suo carburante verde non è l'etanolo, ma il diesel ottenuto dal petrolio e anche il biodiesel ottenuto dall'olio vegetale o dal grasso animale. Amyris afferma che il suo carburante ha una serie di vantaggi su entrambi. A differenza dei combustibili fossili, è costituito da una fonte rinnovabile. Contribuisce anche a meno gas serra nell'atmosfera: l'azienda calcola che il suo diesel prodotto in Brasile emetterà circa l'80% in meno di gas serra rispetto al diesel convenzionale. E rispetto ad altri biodiesel, il suo carburante a base di zucchero sarà più economico da produrre e consentirà ai motori che lo utilizzano di funzionare meglio. Il CEO di Amyris, un ex dirigente petrolifero di nome John Melo, ha negoziato con aziende che cercano un carburante verde, tra cui Federal Express, Virgin Atlantic e General Electric.

Fabbrica di lievito: Nella struttura dimostrativa di Amyris in Brasile, gli idrocarburi vengono prodotti in una torre di fermentazione.

Per molti biologi sintetici, il diesel è solo l'inizio. Credono che, in linea di principio, possano creare microrganismi per produrre sostituti per qualsiasi prodotto petrolifero. Ma ci sono rischi enormi. I ceppi di lievito di Amyris si sono rivelati inaspettatamente vulnerabili. E come con altri processi biotecnologici che dipendono da microrganismi vivi, nessuno può dire se la produzione di diesel verde può essere scalata in modo economico dai lotti da 1.000 litri prodotti oggi. Tutte le previsioni si basano su efficienze di scala per processi che non sono mai stati eseguiti su quelle scale, afferma Noubar Afeyan, CEO di Flagship Ventures a Cambridge, MA, e cofondatore di LS9, una startup di biologia sintetica concorrente. Una sfida importante è che occorrono centinaia di milioni di dollari per dimostrarlo, anche su scala media.

Nove anni fa, la tecnologia di Amyris era ancora un progetto da banco nel laboratorio di Keasling a Berkeley. I ricercatori hanno cercato modi per convincere i microrganismi a produrre prodotti commercialmente utili. Aggiungendo DNA da piante e batteri, il laboratorio di Keasling alla fine ha progettato nuovi batteri e cellule di lievito che potrebbero produrre grandi quantità di isopentenil pirofosfato. Con i suoi cinque atomi di carbonio, la sostanza chimica è una sorta di mattoncino Lego del mondo naturale; da esso, piante e animali costruiscono isoprenoidi, membri di una vasta classe di molecole che include il farmaco antitumorale taxolo, vitamina E e profumi come quelli del pompelmo e dei feromoni delle femmine di blatta.

Keasling sapeva che l'invenzione era preziosa e nel 2001 ha depositato la prima domanda di brevetto della sua carriera. Volevamo applicare gli strumenti a un problema reale, dice. L'occasione è arrivata nel 2004, quando la Fondazione Bill e Melinda Gates ha deciso di donare 42,6 milioni di dollari a un progetto che avrebbe prodotto il farmaco antimalarico artemisinina con l'aiuto dei microbi su misura di Keasling.

L'artemisinina è attualmente derivata dalla dolce pianta dell'assenzio, coltivata principalmente in Africa e in Asia. L'offerta del farmaco è instabile ei prezzi oscillano selvaggiamente; hanno raggiunto i 1.100 dollari al chilo nel 2006. Usando lievito geneticamente modificato per produrlo dallo zucchero, l'approccio di Keasling prometteva di risolvere il problema dell'offerta e di ridurre drasticamente il prezzo. Con la sua possibilità di salvare migliaia, forse milioni, di persone che altrimenti potrebbero morire di malaria, il progetto è diventato un simbolo del potenziale della biologia sintetica per cambiare il mondo in meglio. I soldi di Gates hanno pagato per la rapida espansione di Amyris, che Keasling e tre dei suoi dottori di ricerca hanno fondato per portare avanti il ​​progetto sulla malaria. Alla fine del 2005, afferma il direttore tecnico di Amyris, Neil Renninger, alcuni dell'azienda trascorrevano notti e fine settimana a pensare a quali altri problemi la loro tecnologia avrebbe potuto risolvere.

All'interno di un fermentatore, il lievito geneticamente modificato metabolizza lo zucchero e produce il farnesene, un profumato olio idrocarburico.

Amyris stima che la famiglia degli isoprenoidi includa circa 50.000 diversi tipi di molecole, quindi non era chiaro dove concentrarsi in seguito. Quando abbiamo iniziato a proporre i VC, abbiamo detto che ci sono alcuni farmaci che riteniamo interessanti, nutraceutici e persino combustibili: cosa ne pensi? ricorda Renninger. Ma era difficile trovare un progetto così significativo per gli scienziati di Amyris come la malaria. Questa era davvero una cultura di persone che vogliono salvare vite e non fare molti soldi, dice. Quindi, quando si lancia davanti a loro il sapore del pompelmo, beh, non è troppo interessante.

Le cose hanno iniziato a cambiare a metà del 2006, quando due delle più note società di venture capital della Silicon Valley, Kleiner Perkins Caufield e Byers e lo specialista di energia verde Khosla Ventures, si sono offerti di investire 20 milioni di dollari nella società. Il Congresso degli Stati Uniti aveva approvato i mandati sui combustibili rinnovabili nel 2005, innescando un'ondata di investimenti speculativi in ​​tutti i tipi di biocarburanti. Geoffrey Duyk, amministratore delegato di TPG Biotech, che ha anche investito denaro nella società, ricorda che una volta che Amyris ha accettato i fondi, gli investitori sono entrati e hanno spostato l'attenzione sui combustibili.

Gli investitori hanno iniziato a corteggiare Melo, allora capo del business dei combustibili nordamericani di British Petroleum, per diventare l'amministratore delegato di Amyris. Melo gestiva quella che chiama una piccola impresa che coinvolge enormi flotte di camion e decine di terminal, generando 34 miliardi di dollari di entrate. Quando un reclutatore lo chiamò per la prima volta in merito a un'azienda biotecnologica con un progetto contro la malaria, ricorda, la mia reazione fu: 'Stai scherzando. Sono un tipo da combustibili,

quindi cosa mi importa?'

Man mano che imparava di più sulla biologia sintetica e incontrava lo staff scientifico di Amyris, Melo cambiò idea. I combustibili sono il più grande di tutte le attività commerciali in termini di entrate, ma come percentuale dei profitti, le compagnie petrolifere spendono solo piccole somme in ricerca e sviluppo e quasi nulla in ricerca di base. Melo decise che la sua vecchia industria era matura per il cambiamento. La capacità di modificare i microbi [significa] che possiamo essere la Microsoft dei combustibili e delle sostanze chimiche, dove in effetti stiamo scrivendo il software che va nel serbatoio di fermentazione, dice. Questo, per me, ha cambiato le regole del gioco. Melo ha indirizzato l'azienda a lavorare sul diesel, il carburante per il trasporto più utilizzato al mondo e che spesso scarseggia. Produrre il giusto tipo di molecola si è rivelato sorprendentemente facile. Nel giro di sei settimane, gli scienziati hanno cambiato un singolo enzima nei loro insetti produttori di artemisinina e hanno iniziato a produrre farnesene, l'olio che avevano identificato come un potenziale precursore del diesel.

Sembrano progetti molto diversi: uno è una medicina e l'altro è un carburante, ma la via metabolica è simile, dice Collier. Questo è stato il grande progresso di Amyris. Il farnesene è un olio dall'odore gradevole che spiega in parte l'odore delle bucce di mela. Eseguendo un ulteriore passaggio chimico, l'idrogenazione, Amyris può trasformare il farnesene prodotto dal lievito in farnesano, un combustibile altamente combustibile con proprietà simili a quelle del diesel.

I ceppi di lievito sono testati per l'efficienza.

Essendo un idrocarburo come il diesel e la benzina, il farnesano non sarà soggetto ai problemi che hanno colpito altri biocarburanti, scommette Amyris. L'etanolo, ad esempio, può mescolarsi con l'acqua, il che può causare problemi quando l'acqua si fa strada nelle condutture della benzina. I biodiesel di origine vegetale, nel frattempo, contengono impurità e possono intasare i motori a basse temperature. Farnesane, invece, può essere semplicemente inserito nella rete di distribuzione del carburante esistente. Ha anche un vantaggio rispetto al normale gasolio: non contiene zolfo inquinante.

Ma il progetto avrà un impatto solo se potrà essere implementato su vasta scala. E nessuno è ancora sicuro di quanto bene funzionerà la biologia sintetica su tali scale. Synthetic Genomics, una società fondata dal pioniere del sequenziamento genetico J. Craig Venter, ha raggiunto un accordo da 300 milioni di dollari con ExxonMobil lo scorso anno per sviluppare alghe che producono carburante. Eppure il vicepresidente per la ricerca e lo sviluppo di Exxon, Emil Jacobs, ha dichiarato al New York Times di non voler addolcire le possibilità del progetto. Per i carburanti per il trasporto, se non riesci a vedere se puoi scalare una tecnologia, allora devi chiederti se devi essere coinvolto del tutto, ha detto.

La capacità di produrre combustibili in quantità sorprendenti non è l'unica cosa necessaria affinché diventino un'opzione realistica. Sono anche materie prime che vengono vendute a prezzi stracciati. Il prodotto dell'industria petrolifera, litro per litro, costa la metà della Coca-Cola. Dove sarebbero stati i costi principali nel processo di produzione di Amyris? Se le medie dell'industria dell'etanolo fossero vere, lo zucchero di cui si nutre il lievito rappresenterebbe oltre la metà del prezzo finale della produzione del farnesano.

Quei calcoli facevano parte di ciò che ha portato Melo a piantare saldamente la bandiera in Brasile, ricorda l'investitore Duyk. Il mais americano, anche se a portata di mano, sarebbe stato una scommessa sbagliata. Nel 2007, la fiorente produzione di etanolo negli Stati Uniti aveva fatto salire i prezzi del mais così in alto che decine di migliaia di messicani dimostrarono il costo delle tortillas. Quando i prezzi del petrolio sono scesi nel 2008 e i prezzi del mais sono rimasti a livelli record, molti produttori di etanolo statunitensi non hanno più potuto realizzare profitti.

Un lavoratore tiene in mano delle bottiglie del prodotto finale di Amyris, il gasolio.

Scala, costi e concorrenza con le forniture alimentari non sono gli unici problemi per i biocarburanti. Amyris voleva commercializzare il suo diesel come un bene per l'ambiente; i suoi opuscoli affermano che i suoi combustibili senza compromessi rilasceranno l'80% in meno di anidride carbonica nell'atmosfera rispetto ai combustibili fossili. Oggi, la canna da zucchero brasiliana è l'unica coltura che può sostenere il marketing verde di Amyris. Studi brasiliani affermano che l'etanolo da canna da zucchero produce da 7 a 10 volte l'energia necessaria per produrre il carburante; al contrario, l'etanolo prodotto dal mais produce appena un po' di più di quanto consuma la sua produzione. Mentre l'impatto ambientale della coltivazione della canna da zucchero rimane in discussione, è chiaro che il processo richiede meno energia rispetto alla coltivazione del mais. Inoltre, i produttori di biocarburanti del Brasile sono più efficienti di quelli di altri paesi, in parte perché molti mulini brasiliani bruciano i rifiuti di canna da zucchero per alimentare i loro frantoi e distillatori, riducendo l'uso di combustibili fossili.

Come mercato, il Brasile può portare anche altri vantaggi. La domanda di diesel del paese è elevata, quindi Amyris potrebbe costruire un'attività rispettabile senza mai esportare un calo. Anche il Brasile ha spazio per aumentare la produzione: la canna da zucchero è ora piantata su circa il 3% della terra arabile brasiliana, ma il raccolto potrebbe espandersi su oltre 100 milioni di acri attualmente utilizzati per il pascolo del bestiame. Probabilmente potresti quadruplicare e quintuplicare la produzione di canna, afferma Bill Haywood, CEO di LS9 ed ex dirigente di una compagnia petrolifera. Questo è poco compreso dal resto del mondo. Penso che il Brasile sarà la nascita dell'alta qualità

diesel verde, proprio come lo era per l'etanolo.

A dicembre, Amyris ha raggiunto un accordo per costruire il suo primo impianto di farnesene, un impianto da 100 milioni di litri all'anno che sarà costruito all'interno del nuovo stabilimento per lo zucchero e l'etanolo di Boa Vista a Goiás. Come parte della transazione, Amyris ha accettato di acquistare una quota del 40% nel mulino dal suo proprietario, Grupo São Martinho. Il suo pagamento totale, circa 80 milioni di dollari in contanti e azioni, è stato il prezzo più alto mai pagato per la capacità di macinazione in Brasile, secondo il presidente di São Martinho, Fábio Venturelli. Amyris voleva il controllo sulla costruzione del suo primo grande impianto, per assicurarsi che procedesse senza intoppi. Ma alla fine la società prevede di barattare la sua tecnologia per l'accesso al succo di canna da zucchero, un approccio meno costoso. L'idea è che gli zuccherifici brasiliani paghino per il retrofit delle loro piante mentre Amyris contribuisce con il suo lievito geneticamente modificato. Amyris avrebbe poi venduto il farnesene e diviso i profitti con il mulino.

Sebbene i termini commerciali possano essere complicati, il discorso di base che Amyris sta facendo non lo è: in un'industria che per molti versi è a bassa tecnologia (più della metà della canna da zucchero del Brasile è ancora abbattuta da lavoratori a giornata armati di machete), promette di trasformare i mulini in bioraffinerie futuristiche in grado di produrre prodotti chimici e combustibili più preziosi dello zucchero o dell'etanolo. Molte aziende brasiliane hanno pensato in modo simile. Quando Venturelli è diventato CEO di São Martinho nel 2008 e ha visto per la prima volta i progetti per lo stabilimento di Boa Vista, ha notato che qualcuno aveva scritto una nota su un'area vuota. Diceva, Questo spazio per il futuro prodotto chimico a base di canna da zucchero.

Tuttavia, rimangono molte domande. Tutte le nostre aziende stanno cercando di essere all'avanguardia nel mercato dei combustibili e vedono in Amyris la possibilità di trasferimento tecnologico, afferma Alfred Szwarc, consulente tecnico di UNICA, la più grande associazione di canna da zucchero del Brasile. Ma dal momento che non conosciamo il prezzo o i costi operativi, per ora si tratta di molte speculazioni.

La maggiore incertezza riguarda le prestazioni del lievito di Amyris in condizioni industriali. Sarà una delle prime volte in cui la biologia sintetica raggiungerà una tale scala e il processo porrà sicuramente problemi di ingegneria che nessun'altra azienda ha mai affrontato prima. Una preoccupazione: i ceppi di lievito selvatico potrebbero entrare nei serbatoi di fermentazione insieme al succo di canna da zucchero. Negli esperimenti di laboratorio sterili, questo non è un problema. Ma in un mulino per la canna da zucchero, il lievito che non produce il farnesene potrebbe facilmente sopraffare la varietà creata in laboratorio.

I recenti sviluppi nel progetto artemisinina suggeriscono anche che i costi potrebbero essere un problema. Il produttore di farmaci Sanofi Aventis, che ha accettato di gestire la produzione commerciale dell'antimalarico, afferma di aver incontrato ostacoli inaspettati e ora prevede di produrre il farmaco da 350 a 400 dollari al chilo. È vicino al prezzo medio della versione derivata dalle piante, ma è tre o quattro volte più costoso di quanto Keasling ha promesso nelle interviste ai media.

In Brasile, i sogni di Amyris di trasformare il business globale del carburante potrebbero dover essere posticipati, almeno per un po'. Il primo impianto dell'azienda potrebbe non produrre farnesene abbastanza a buon mercato da competere testa a testa con il diesel. Invece, il farnesene prodotto dallo stabilimento di São Martinho sarà inizialmente venduto al mercato dei prodotti di consumo, dove potrebbe imporre prezzi molto più alti di quello pagato per il diesel. (Può essere utilizzato, tra l'altro, come agente idratante per rossetti o creme antietà.)

Ciò significa che gli scienziati di Amyris potrebbero dover aspettare ancora un po' per cambiare il mondo. Ma Melo afferma che l'azienda non si è tirata indietro dal suo obiettivo di diventare una forza importante nel mercato dei combustibili. Siamo tutti sull'impatto, dice. Salvare migliaia di bambini è un impatto. Con i combustibili, è la scala. Se non possiamo ridimensionare il nostro contributo alle emissioni di CO2 o alla produzione verde, saremo irrilevanti.

Antonio Regalado è corrispondente collaboratore di Scienza in America Latina ed ex redattore presso TR. Ha sede a San Paolo.

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