Ridisegnare la vita per produrre etanolo

Il 31 gennaio, Ari Patrinos era seduto nel suo soggiorno a Rockville, in Maryland, ad ascoltare il discorso sullo stato dell'Unione e ad addormentarsi lentamente. All'improvviso si svegliò di soprassalto.

Le colonie di batteri Streptomyces ricombinanti sono progettate per produrre enzimi chiamati cellulasi. Con questi enzimi, i batteri possono abbattere la cellulosa sulla strada per la produzione di etanolo. (Per gentile concessione di NREL/Dipartimento statunitense di energia/ricercatori fotografici)

Finanziamo anche ulteriori ricerche per metodi all'avanguardia per la produzione di etanolo, diceva il presidente Bush alla televisione, non solo dal mais, ma anche da trucioli di legno e steli o erbaccia. Il nostro obiettivo è rendere questo nuovo tipo di etanolo pratico e competitivo entro sei anni.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2006

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A differenza della maggior parte dei legislatori che hanno applaudito allegramente le parole del presidente, Patrinos ha capito esattamente cosa intendessero. Infatti li aveva scagliati di dosso lui stesso giorni prima su sollecitata richiesta del suo capo, ignaro che fossero destinati al discorso sullo Stato dell'Unione. Patrinos, allora direttore associato dell'Ufficio per la ricerca biologica e ambientale del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, aveva propagandato per anni l'etanolo cellulosico come fonte di energia alternativa, solo per essere accolto con indifferenza o scherno. Ora, sembrava, anche il più petro-friendly dei politici era convinto.

La produzione di carburante a base di etanolo dalla biomassa è interessante per una serie di motivi. In un momento di impennata dei prezzi del gas e di preoccupazioni per la disponibilità a lungo termine di petrolio estero, la fornitura interna di materie prime per la produzione di biocarburanti sembra quasi illimitata. Nel frattempo, si prevede che la quantità di anidride carbonica scaricata annualmente nell'atmosfera dalla combustione di combustibili fossili aumenterà in tutto il mondo da circa 24 miliardi di tonnellate nel 2002 a 33 miliardi di tonnellate nel 2015. Bruciare un gallone di etanolo, d'altra parte, aggiunge poco al carbonio totale nell'atmosfera, poiché l'anidride carbonica emessa nel processo è approssimativamente uguale alla quantità assorbita dalle piante utilizzate per produrre il gallone successivo.

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L'uso dell'etanolo per il carburante delle auto non è certo un'idea nuova (vedi la taglia del Brasile) . Dalla crisi energetica dei primi anni '70, gli incentivi fiscali hanno fatto aumentare la produzione di etanolo; nel 2005 ha raggiunto i quattro miliardi di galloni all'anno. Ma questo si traduce ancora in solo il 3% del carburante nei serbatoi americani. Uno dei motivi per l'uso limitato dell'etanolo è che negli Stati Uniti è prodotto quasi esclusivamente dall'amido di mais; il processo è inefficiente e compete con altri usi agricoli del mais. Mentre è relativamente facile convertire l'amido nei chicchi di mais negli zuccheri necessari per produrre etanolo, la resa del carburante è bassa rispetto alla quantità di energia che serve per coltivare e raccogliere i raccolti. La lavorazione dell'etanolo dalla cellulosa (paglia di grano e riso, erbaccia, pasta di carta, prodotti di scarto agricoli come pannocchie e foglie di mais) ha il potenziale per spremere almeno il doppio del carburante dalla stessa area di terreno, perché è disponibile molta più biomassa per acro. Inoltre, un tale approccio utilizzerebbe materie prime che altrimenti sarebbero essenzialmente prive di valore.

La conversione della cellulosa in etanolo comporta due passaggi fondamentali: rompere le lunghe catene di molecole di cellulosa in glucosio e altri zuccheri e far fermentare quegli zuccheri in etanolo. In natura, questi processi vengono eseguiti da diversi organismi: funghi e batteri che utilizzano enzimi (cellulasi) per liberare lo zucchero nella cellulosa e altri microbi, principalmente lieviti, che fermentano gli zuccheri in alcol.

Nel 2004, Iogen, un'azienda biotecnologica canadese con sede a Ottawa, ha iniziato a vendere modeste quantità di etanolo cellulosico, prodotto utilizzando paglia di grano tenero come materia prima e un fungo tropicale geneticamente potenziato per iperprodurre i suoi enzimi che digeriscono la cellulosa. Ma Iogen stima che il suo primo impianto commerciale su vasta scala, per il quale spera di aprire nuovi orizzonti nel 2007, costerà 300 milioni di dollari, cinque volte il costo di un impianto convenzionale di etanolo alimentato a mais di dimensioni simili.

Più si può giocherellare con i microbi che producono etanolo per ridurre il numero di passaggi nel processo di conversione, minori saranno i costi e prima l'etanolo cellulosico diventerà commercialmente competitivo. Nella produzione convenzionale, ad esempio, l'etanolo deve essere continuamente rimosso dai reattori di fermentazione, perché i lieviti non ne possono tollerare troppo. Greg Stephanopoulos del MIT, professore di ingegneria chimica, ha sviluppato un lievito che può tollerare il 50 percento in più di etanolo. Ma, dice, tale ingegneria genetica coinvolge più della semplice giunzione di un gene o due. La domanda non è se possiamo creare un organismo che produce etanolo, dice Stephanopoulos. È così che possiamo progettare un'intera rete di reazioni per convertire diversi zuccheri in etanolo con rese e produttività elevate. La tolleranza all'etanolo è una proprietà del sistema, non un singolo gene. Se vogliamo aumentare la resa complessiva, dobbiamo manipolare molti geni contemporaneamente.

L'organismo ideale farebbe tutto: abbattere la cellulosa come un batterio, fermentare lo zucchero come un lievito, tollerare alte concentrazioni di etanolo e dedicare la maggior parte delle sue risorse metaboliche alla produzione di solo etanolo. Ci sono due strategie per creare un bug per tutti gli usi. Uno è modificare un microbo esistente aggiungendo percorsi genetici desiderati da altri organismi ed eliminando quelli indesiderati; l'altro è iniziare con la lavagna pulita di una cellula sintetica ridotta a zero e costruire un genoma personalizzato quasi da zero.

Lee Lynd, professore di ingegneria alla Dartmouth University, sta scommettendo sul primo approccio. Lui ei suoi colleghi vogliono ridurre i molti passaggi biologicamente mediati coinvolti nella produzione di etanolo in uno. Si tratta di una svolta potenzialmente rivoluzionaria nella lavorazione a basso costo della biomassa cellulosica, afferma. La strategia potrebbe comportare la modifica di un organismo che metabolizza naturalmente la cellulosa in modo da produrre alte rese di etanolo, o l'ingegneria di un produttore di etanolo naturale in modo che metabolizzi la cellulosa.

Questo maggio, Lynd e i suoi colleghi hanno riportato progressi su entrambi i fronti. Un team dell'Università di Stellenbosch in Sud Africa che aveva collaborato con Lynd ha annunciato di aver progettato un lievito in grado di sopravvivere con la sola cellulosa, scomponendo le molecole complesse e fermentando gli zuccheri semplici risultanti in etanolo. Allo stesso tempo, il gruppo di Lynd ha riferito di aver ingegnerizzato un batterio termofilo, uno che vive naturalmente in ambienti ad alta temperatura, il cui unico prodotto di fermentazione è l'etanolo. Altri organismi sono stati progettati per eseguire giochi di prestigio simili a temperature normali, ma il microbo ricombinante di Lynd lo fa alle alte temperature dove le cellulasi commerciali funzionano meglio. Siamo molto più vicini all'uso commerciale di quanto la gente pensi, afferma Lynd, che sta commercializzando la tecnologia avanzata dell'etanolo presso Mascoma, una startup a Cambridge, MA.

Altri stanno perseguendo un approccio molto più radicale. Poco dopo il discorso sullo Stato dell'Unione, Patrinos ha lasciato il DOE per diventare presidente di Synthetic Genomics, una startup a Rockville, MD, fondata da Craig Venter, il biologo iconoclasta che ha guidato lo sforzo privato per decodificare il genoma umano. La genomica sintetica è alla ricerca di un batterio che farà tutto, come dice Venter. Con i finanziamenti di Synthetic Genomics, gli scienziati del J. Craig Venter Institute stanno aggiungendo e sottraendo geni da organismi naturali utilizzando le tecniche ricombinanti impiegate da altri ingegneri microbici. A lungo termine, tuttavia, Venter conta su un approccio più in linea con la sua reputazione di apripista. Piuttosto che modificare gli organismi esistenti per produrre etanolo e altri potenziali biocarburanti, vuole costruirne di nuovi.

La selezione naturale, sostiene Venter, non progetta forme di vita per svolgere in modo efficiente le molteplici funzioni codificate dai loro geni, tanto meno per svolgere un compito dedicato come la produzione di etanolo. Di conseguenza, un'enorme quantità di sforzi e spese va a capire come chiudere percorsi genetici complessi, spesso ridondanti, che miliardi di anni di evoluzione hanno inciso negli organismi. Perché non iniziare con un genoma che ha solo il numero minimo di geni necessari per sostenere la vita e aggiungervi ciò di cui avete bisogno? Con una cellula sintetica, lì dentro hai solo i percorsi in cui vuoi essere lì dentro, dice.

L'approccio della genomica sintetica si basa sulla ricerca che l'Istituto per la ricerca genomica di Venter ha condotto su un microrganismo chiamato Micoplasma genitalium alla fine degli anni '90. Il microbo, che risiede nel tratto urinario umano, ha solo 517 geni. Sebbene questo sia il genoma più piccolo visto in qualsiasi forma di vita conosciuta, i ricercatori del gruppo di Venter hanno dimostrato che l'organismo potrebbe sopravvivere anche dopo aver eliminato quasi la metà dei suoi geni codificanti proteine ​​(alcuni geni non codificano per proteine ​​ma per altre biomolecole che svolgono funzioni regolatorie). funzioni all'interno della cellula). Usando la sequenza del DNA di questo genoma minimo come guida, stanno ora tentando di sintetizzare un cromosoma artificiale che, inserito in una cellula scavata, porterà a una forma di vita vitale. Una volta superato questo primo ostacolo, hanno in programma di costruire percorsi genetici sintetizzati e specifici per attività nel genoma, proprio come si potrebbe caricare software sul sistema operativo di un computer. Piuttosto che creare fogli di calcolo o elaborare testi, tuttavia, tale software a base biologica istruirebbe la cellula a scomporre la cellulosa per produrre etanolo o svolgere altre funzioni utili. Questo è un campo completamente nuovo sull'orlo dell'esplosione, afferma Venter.

Tra i biocarburanti, l'etanolo è il capostipite stabilito, ma vari tipi di microbi producono anche idrogeno, metano, biodiesel e persino elettricità, il che significa che potrebbero essere geneticamente modificati per produrre più di queste risorse. All'Università della California, Berkeley, il bioingegnere Jay Keasling e i suoi colleghi stanno proponendo di progettare organismi che pompano un carburante che nessun microbio naturale produce, uno che offre alcuni vantaggi allettanti rispetto all'etanolo: la benzina. Le sue virtù come combustibile sono dimostrate, ovviamente, e la capacità di produrlo da legno di scarto e carta da macero, cosa che Keasling ritiene fattibile, potrebbe ridurre la dipendenza dei paesi dal petrolio straniero. E a differenza dell'etanolo, che è solubile in acqua e deve essere trasportato in camion per evitare che raccolga acqua nei tubi, l'ottano generato biologicamente potrebbe essere convogliato economicamente ai consumatori, proprio come il gas di oggi.

L'etanolo ha un posto, ma probabilmente non è il miglior carburante a lungo termine, afferma Keasling. Le persone lo usano da molto tempo per produrre vino e birra. Ma non c'è motivo per cui dobbiamo accontentarci di un carburante di 5000 anni fa.

A breve termine, sono necessari alcuni progressi in biologia e ingegneria prima che i combustibili ottenuti dalla biomassa diventino pratici e competitivi con i combustibili fossili. Ma a lungo termine, dice Venter, siamo limitati principalmente dalla nostra immaginazione, non dai limiti della biologia.

Il libro più recente di Jamie Shreeve è La guerra del genoma .

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