Ljusglad jäst kan förändra vårt förhållningssätt till biobränslen

Ljus är liv

Nästan all energi i den mänskliga civilisationen härrör i slutändan från solen. Mat, biomassa och trä växer tack vare solljus. Och kol, gas och olja är gjorda av döda växter som levde för miljontals år sedan. Till och med vindar är resultatet av att solen värmer atmosfären. Och naturligtvis har vi idag solpaneler.  Med tanke på hur stor del av vårt energibehov som täcks av levande organismer som utnyttjar solens kraft, är begreppet biobränslen logiskt.

Problemet är att första- och andragenerationsbiobränslen, som använder grödor som majs och sockerrör eller jordbruksrester, ofta har en ganska låg energiyield på grund av hur mycket fossila bränslen och gödningsmedel som används för att odla dessa grödor.

Källa: Unsplash

Biobränslen av tredje generation försöker istället använda alger, något vi diskuterade mer i detalj i vår artikel “Algal Biofuel: Den nästa energirevolutionen?”.

Men vad om vi kunde göra alla organismer kapabla att utföra fotosyntes? Vad som hittills har varit en dröm har delvis uppnåtts av forskare vid Georgia Tech.

Ljusdriven jäst

Jäst är kanske den mest välförstådda mikroorganismen i världen. Människor har utnyttjat jästens biokemiska förmågor för att producera bröd, alkohol och fermenterade mjölkprodukter sedan civilisationens begynnelse.

Jäst är också en av de vanligaste organism‑”modellerna” i biologiska laboratorier. Och viktiga bio‑fabriker för många läkemedel och användbara biomolekyler.

Ändå måste jäst matas med socker eller andra föreningar för att överleva. Åtminstone var det så tills Anthony Burnetti, en forskningsvetenskapsman som arbetar i Associate Professor William Ratcliffs laboratorium, lyckades göra jäst kapabel att samla in ljusenergi.

“Allt vi behövde göra var att flytta en enda gen, och de växte 2 % snabbare i ljuset än i mörkret. Utan någon finjustering eller noggrann övertalning fungerade det helt enkelt.”

Helt ny typ av jäst

Teamet har erfarenhet av att förändra jäst, en vanlig och allestädes närvarande organism med ny och oväntad potential. Mest anmärkningsvärt har de tidigare lyckats omvandla den encelliga jästen till en komplex flercellig organism i “Multicellularity Long-Term Evolution Experiment“.

Källa: Georgia Tech

En begränsning för tillväxten av dessa flercelliga jästorganismer var tillgången till syre i de inre “vävnaderna”. Detta är varför de gick vidare med att göra jäst till en fotosyntetisk organism.

För att göra detta tillsatte de ett protein, rhodopsin, till jästen. Detta protein är känt för att utföra viss fotosyntes utan de komplexa proteiner och biomolekyler som finns i överlägsna växter (som klorofyll).

Genom att bara lägga till en gen som kodar för ett rhodopsin‑protein kunde jästen fånga ljus och växa snabbare. ökningen var modest, bara +2 % i tillväxttakt, men betydelsefull på grund av den enkla förändringen. Och denna ökade tillväxt har ännu inte optimerats.

Biobränsle med syntetisk biologi

Hittills har forskningen kring biobränslen försökt modifiera redan fotosyntetiska växter (majs, sockerrör eller alger) och göra processen tillräckligt effektiv för att vara ekonomiskt hållbar.

Men detta stötte på flera hinder, eftersom biomaterialen i överlägsna växter och grödor som majs inte är lättillgängliga, och att omvandla dem till etanol innebär stora energiförluster. Samtidigt är alger mer lovande, men att odla dem utan kontamination är långt ifrån en enkel uppgift.

Tvärtom är odling av jäst en väl förstådd process som rutinmässigt utförs i massiva industriella anläggningar. Att göra jäst till ett alternativ till alger kan öppna vägen för nya metoder att syntetisera biobränslen. Istället för att förlita sig på komplexa processer för att odla alger, skulle vi kunna konstruera jäst eller bakterier så att de kan växa enbart med solljus och dra nytta av att dessa organismer är mycket enklare att odla i industriella mängder.

Bioengineerade bränslelagrar

Övergripande är detta fortfarande ett mycket ungt och lovande segment inom biobränsleforskning och bioengineering. Så de företag som mest sannolikt kommer att försöka förverkliga det kommer att behöva hög expertis inom syntetisk biologi och/eller biobränsleproduktion.

Listan nedan är bara ett förslag på vilka företag som kan se potential i Georgia Tech-forskarnas upptäckt.

1.  Reliance Industry

Reliance Industry är ett enormt indiskt konglomerat, det största privata företaget i landet, aktivt inom telekommunikation, textilier och energi. År 2022 var det det första indiska företaget som någonsin nådde 100  miljarder dollar i intäkter.

Reliance meddelade 2022 sitt inträde på marknaden för algbiobränslen, med påståendet “ett av de största algerodlingssystemen i världen”. Fram till nu bestod deras energiportfölj främst av raffinaderier och petrokemiska anläggningar. Med detta algerprojekt skulle de kunna påbörja produktionen och utnyttja det rikliga solljuset i Indien (samt outvecklade öknar) för att minska landets starka beroende av import av fossila bränslen.

Företaget är också aktivt i produktionen av biogas från jordbruksavfall, vilket gör det till Indiens största bioenergiproducent.

2. Ginkgo Bioworks

Företaget producerar skräddarsydda organismer på begäran för specifika tillämpningar. Detta inkluderar biomedicinska tillämpningar, men även många industriella och materialvetenskapliga program.

Ginkgo är exakt den typ av företag som stora industriella konglomerat som Reliance kan vända sig till för att konstruera en skräddarsydd jäst dedikerad till biobränsleproduktion.

Ginkgo Bioworks (DNA ) har diversifierat sina tillämpningar brett med många forskningsprogram och partnerskap:

• Cannabinoider
• produktion av mRNA‑vaccin och nukleinsyramedicin
• Livsmedelsproteiner
• produktion av biologiskt gödningsmedel i samarbete med Bayer
• programmerbara mikrober för tarmsjukdomar
• Bioremediering av mikroplaster
• Bio-säkerhet och patogenupptäckt
• Återvinning av avfall och föroreningar

Den tjänar pengar genom att först få betalt i förskott för utvecklingsprocessen och sedan genom royalties på den färdiga produkten.

2023 var ett rikligt år för Ginkgo, med tiotals partnerskap, inklusive:

• $331 M‑avtal med Pfizer.
• $490 M‑avtal med Merck för att optimera tillverkning av biologiska läkemedel.
• $406 M‑avtal med Boehringer Ingelheim för mål som inte kan behandlas med läkemedel.
• Samarbete med Biogen och Novo Nordisk för icke avslöjade belopp.

Källa: Gingko Bioworks

Ginkgo Bioworks samarbetar också med alla stora jordbruksföretag, varav de flesta har vissa intressen i biobränsleproduktion och mikrobiologi. Några av dessa inkluderar Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta och fler.