Valoa Hyödyntävä Iloinen Hiiva Voi Muuttaa Lähestymistapaamme Biopolttoaineisiin

Valo On Elämää

Almost all energy in human civilization is ultimately derived from the sun. Food, biomass, and wood grow thanks to sunlight. And coal, gas, and oil are made of dead plants millions of years ago. Even winds are the result of the sun warming the atmosphere. And, of course, today, we have solar panels.  Considering how much of our energy needs are covered by living organisms harnessing the sun’s power, the concept of biofuels makes sense.

Ongelma on, että ensimmäisen ja toisen sukupolven biopolttoaineet, jotka käyttävät viljoja kuten maissia ja sokeriruokaa tai maatalousjätteitä, tuottavat melko heikon energiatehon, koska näiden kasvien viljelyyn käytetään paljon fossiilisia polttoaineita ja lannoitteita.

Lähde: Unsplash

Kolmannen sukupolven biopolttoaineet pyrkivät käyttämään sen sijaan levää, mistä keskustelimme tarkemmin artikkelissamme “Algaalipolttoaine: Seuraava energiarevoluutio?”.

Mutta entä jos voisimme tehdä mistä tahansa organismista kykenevän fotosynteesiin? Se, mikä tähän mennessä on ollut haave, on osittain toteutettu Georgia Techin tutkijoiden toimesta.

Valoa Hyödyntävä Hiiva

Hiiva on ehkä maailman parhaiten ymmärretty mikro‑organismi. Ihmiset ovat hyödyntäneet hiivan biokemiallisia ominaisuuksia leivän, alkoholin ja fermentoitujen maitotuotteiden tuottamiseen sivilisaation alkutaipaleesta lähtien.

Hiivat ovat myös yksi yleisimmistä organismi ”malleista” biotieteiden laboratorioissa. Ne toimivat tärkeitä biolaitoksia monien lääkkeiden ja hyödyllisten biomolekyylien tuotannossa.

Silti hiivat tarvitsevat sokeria tai muita yhdisteitä pysyäkseen elossa. Ainakin näin oli, kunnes Anthony Burnetti, tutkimuslääkäri, joka työskentelee apulaisprofessori William Ratcliffn laboratoriossa, onnistui tekemään hiivasta kykenevän keräämään valon energiaa.

“Kaikki mitä meidän piti tehdä, oli siirtää yksi geeni, ja ne kasvoivat 2 % nopeammin valossa kuin pimeässä. Ilman minkäänlaista hienosäätöä tai tarkkaa ohjausta, se toimi yksinkertaisesti.”

Täysin Uusi Hiivalaji

Tiimi on kokenut hiivan muokkaamisessa, yleisessä ja kaikkialla esiintyvässä organismissa, jolla on uusia ja odottamattomia mahdollisuuksia. Erityisesti he onnistuivat aiemmin muuttamaan yksisoluista hiivaa monimutkaiseksi monisoluorganismiksi “Monisoluus Pitkäaikainen Evoluutiokoe”.

Lähde: Georgia Tech

Kasvun rajoitteena näissä monisoluisissa hiivaorganismeissa oli hapen saanti sisäisissä “kudoksissa”. Tästä syystä he jatkoivat hiivan muuttamista fotosynteettiseksi organismiksi.

Tämän saavuttamiseksi he lisäsivät hiivoihin proteiinin, rhodopsiinin. Tämä proteiini tunnetaan kyvystään suorittaa jonkin verran fotosynteesiä ilman yläkasvien monimutkaisia proteiineja ja biomolekyylejä (kuten klorofylli).

Lisäämällä vain yhden rhodopsiini‑proteiinin koodaavan geenin hiiva pystyi keräämään valoa ja kasvamaan nopeammin. Kasvu oli maltillista, vain +2 % kasvunopeus, mutta merkittävää yksinkertaisen muutoksen vuoksi. Tämä kasvun lisäys ei ole vielä optimoitu.

Biopolttoaine Synteettisen Biologian Avulla

Tähän mennessä biopolttoainetutkimus on pyrkinyt muokkaamaan jo fotosynteettisiä kasveja (maissia, sokeriruokaa tai levää) ja tekemään prosessista riittävän tehokkaan taloudellisesti kannattavaksi.

Mutta tämä kohtasi useita esteitä, sillä yläkasvien ja viljojen, kuten maissin, biomateriaalit eivät ole helposti saatavilla, ja niiden muuntaminen etanoliksi aiheuttaa paljon energiahäviöitä. Samaan aikaan levät ovat lupaavampia, mutta niiden viljely ilman kontaminaatiota on kaukana yksinkertaisesta tehtävästä.

Toisinpäin, hiivan kasvattaminen on hyvin ymmärretty prosessi, jota toteutetaan säännöllisesti massiivisissa teollisuusprosesseissa. Hiivan muuttaminen levän korvaajaksi voisi avata uusia menetelmiä biopolttoaineiden synteesille. Sen sijaan, että turvauduttaisiin monimutkaisiin prosesseihin levän kasvattamiseksi, voisimme suunnitella hiivan tai bakteerit kasvamaan pelkästään auringonvalosta ja hyödyntää sitä, että näiden organismien kasvattaminen teollisessa mittakaavassa on paljon helpompaa.

Biotekniikalla Suunnitellut Polttoainevarastot

Kaiken kaikkiaan tämä on edelleen hyvin nuori ja lupaava osa‑alue biopolttoainetutkimuksessa ja bioinsinööritieteissä. Siksi yritysten, jotka todennäköisesti pyrkivät toteuttamaan sen, täytyy omaa korkean tason asiantuntemusta synteettisessä biologiassa ja/tai biopolttoaineiden tuotannossa.

Lista alla on vain ehdotus siitä, mitkä yritykset saattavat nähdä potentiaalia Georgia Techin tutkijoiden löydöksessä.

1.  Reliance Industry

Reliance Industry on massiivinen intialainen konglomeraatti, maan suurin yksityinen yritys, joka toimii televiestinnässä, tekstiileissä ja energiassa. Vuonna 2022 se oli ensimmäinen intialainen yritys, joka koskaan saavutti 100 miljardia dollaria liikevaihdossa.

Reliance ilmoitti vuonna 2022 astuvansa algaalipolttoainemarkkinoille, väittäen “yhtä maailman suurimmista levän viljelyjärjestelmistä”. Tähän asti sen energiaportfolio koostui pääosin jalostamo‑ ja petrokemialaitoksista. Tämän algaaprojektin avulla se voisi aloittaa tuotannon ja hyödyntää Intiassa runsasta auringonvaloa (samoin kuin viljelemättömiä aavikoita) vähentääkseen maan äärimmäistä riippuvuutta ulkomaisista fossiilisista polttoaineista.

Yritys on myös aktiivinen biokaasun tuotannossa maatalousjätteistä, mikä tekee siitä Intian suurimman bioenergiaa tuottavan yrityksen.

2. Ginkgo Bioworks

Yritys tuottaa tilauksesta organismeja erityistarkoituksiin. Tämä sisältää biolääketieteellisiä sovelluksia, mutta myös runsaasti teollisuus‑ ja materiaalitieteen ohjelmia.

Ginkgo on juuri sen tyyppinen yritys, johon suuret teolliset konglomeraatit kuten Reliance voisivat kääntyä suunnitellessaan räätälöityä hiivaa biopolttoaineiden tuotantoa varten.

Ginkgo Bioworks (DNA ) on monipuolistanut sovelluksiaan laajasti monien tutkimusohjelmien ja kumppanuuksien avulla:

• Kannabinoidit
• mRNA‑rokotteen tuotanto ja nukleiinihappolääkkeet
• Elintarvikeproteiinit
• Biologisen lannoitteen tuotanto yhteistyössä Bayerin kanssa
• Ohjelmoitavat mikrobit suolistosairauksia varten
• Mikromuovien bioremediaatio
• Bioturvallisuus ja patogeenien havaitseminen
• Jätteiden ja kontaminaatioiden kierrätys

Se ansaitsee rahaa saamalla ensin maksun kehitysprosessista etukäteen ja sen jälkeen rojaltit valmiista tuotteesta.

Vuosi 2023 oli runsas Ginkgoille, kymmenien kumppanuuksien myötä, mukaan lukien:

• $331 M sopimuksia Pfizerin kanssa.
• $490 M sopimus Merckin kanssa biologisten tuotteiden valmistuksen optimointiin.
• $406 M sopimus Boehringer Ingelheimin kanssa lääkkeiden kohteiden, joihin ei ole lääkkeitä, käsittelemiseksi.
• Yhteistyö Biogenin ja Novo Nordiskin kanssa, summat eivät ole julkistettuja.

Lähde: Gingko Bioworks

Ginkgo Bioworks tekee myös yhteistyötä kaikkien suurten maatalousyritysten kanssa, joista useimmilla on jonkinlaisia intressejä biopolttoaineiden tuotannossa ja mikrobiologiassa.  Muutamia näistä ovat Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta ja muita.