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Ein besserer Biokraftstoff-Bug
Eine winzige Mikrobe, die in der Chesapeake Bay gefunden wurde, steht im Mittelpunkt intensiver Studien für ein Biotech-Startup in College Park, MD. Zymetis hat ein seltenes, zellulosefressendes Bakterium gentechnisch verändert, um Zellulose abzubauen und in Zucker umzuwandeln, die für die Ethanolherstellung notwendig sind, und hat vor kurzem seinen ersten Versuch im kommerziellen Maßstab abgeschlossen. Anfang dieses Jahres führte das Unternehmen die modifizierte Mikrobe durch eine Reihe von Tests in großen Fermentern und stellte fest, dass sie in 72 Stunden eine Tonne Zellulose-Pflanzenfasern in Zucker umwandeln konnte. Der Versuch, so die Forscher, veranschaulicht das Potenzial des Organismus, Ethanol kostengünstig und effizient im industriellen Maßstab herzustellen. Zymetis beschafft jetzt die erste Runde Risikokapital, um die Technologie in kommerzielle Anwendungen zu bringen.
Zellulose fressende Mikrobe: Steve Hutcheson, Präsident und CTO von Zymetis, zeigt eine Kultur des Bakteriums S. degradans , vor mehr als 20 Jahren in der Chesapeake Bay gefunden.
Scott Laughlin, CEO von Zymetis, sagt, dass die Wissenschaftler des Unternehmens in den letzten zwei Jahren daran gearbeitet haben, den winzigen Organismus umzurüsten und aufzupumpen. Der Hauptvorteil der Mikrobe ist ihre Fähigkeit, zwei Hauptschritte im Ethanolprozess auf natürliche Weise zu kombinieren, was laut dem Unternehmen die hohen Kosten für die Herstellung von Ethanol aus zellulosehaltiger Biomasse wie Switchgrass, Holzschnitzeln und Papierzellstoff erheblich senken könnte. Das Unternehmen führt den Organismus durch eine Reihe von Versuchen, um zu untersuchen, wie das System im industriellen Maßstab angewendet werden könnte.
Die Ethanolherstellung aus Cellulosequellen ist ein teurer mehrstufiger Prozess. Der Cellulose-Rohstoff wird zunächst mit Hitze und Chemikalien vorbehandelt, um die zähen Zellwände des Materials aufzubrechen. Teure hergestellte Enzyme werden dann zu der Mischung hinzugefügt, um gereinigte Cellulose in Glukose umzuwandeln, die dann mit Hefe behandelt wird, die den Zucker in Ethanol umwandelt. Infolgedessen entwickeln Wissenschaftler und mehrere Start-up-Unternehmen verbesserte Mikroben, die mehrere dieser Schritte ausführen könnten und so die resultierenden Biokraftstoffe wettbewerbsfähiger mit fossilen Kraftstoffen machen.
Um dieses Ziel zu erreichen, sagt Laughlin, hat das Unternehmen ein Ethanol-Produktionssystem entwickelt, das sich um eine Mikrobe dreht, die die ersten beiden Schritte des herkömmlichen Ethanolprozesses schnell und effizient kombiniert. Es hat die Fähigkeit, ganzes Pflanzenmaterial abzubauen, und es scheidet Enzyme aus, die Zellulose abbauen, was in Lösung sehr gut funktioniert, sagt Laughlin.
Die Mikrobe, auf die das Unternehmen setzt, ist Saccharophagus degradans , ein Bakterium, das in den Sümpfen der Chesapeake Bay gefunden wird und abgestorbenes Pflanzenmaterial und feste Abfälle frisst und in Glukose zerlegt. In 2003, Steve Hutcheson , Professor für Zellbiologie und Molekulargenetik an der University of Maryland, durchkämmte das Genom des Organismus und entdeckte, dass er eine Kombination von Enzymen besitzt, die die zähen Zellwände abgestorbener Pflanzen abbauen und restliche Zellulose in Zucker umwandeln – zwei wertvolle Eigenschaften in Herstellung von Zellulose-Ethanol. 2006 gründete Hutcheson Zymetis, um die Leistung der Mikrobe auf einen kommerziellen Maßstab zu steigern.
Seitdem arbeitet das Unternehmen mit Stämmen von S. degradans , die Enzyme identifiziert, die für den Abbau einer Vielzahl von Materialien verantwortlich sind, von Zeitungen über abgestorbene Pflanzen bis hin zu festem Abfall. Hutcheson und seine Kollegen schalteten bestimmte Gene ein, um die Aktivität dieser Enzyme zu erhöhen, und schalteten andere Gene aus, die das hemmende Verhalten der Mikrobe kontrollierten, beispielsweise diejenigen, die ihr sagen, dass sie mit der Nahrungsaufnahme aufhören sollen. Dadurch pumpt der gentechnisch veränderte Organismus deutlich mehr Enzyme heraus, als er es normalerweise tun würde.
Laughlin und seine Kollegen führten kürzlich einen Versuch mit dem Organismus durch und fanden heraus, dass der Organismus eine Tonne Zellulose-Pflanzenfasern zerkaute und das Fruchtfleisch innerhalb von 72 Stunden in Zucker umwandelte – ein Prozess, der in freier Wildbahn normalerweise Jahre dauert. Im Moment arbeiten wir an einer 24- bis 72-Stunden-Zeitskala, sagt Laughlin. Es ist eher eine wirtschaftliche Frage, es schneller zu machen, aber zu welchem Preis? Wir arbeiten also an einer ganzen Reihe von Verarbeitungsprotokollen über verschiedene Zeitskalen, um einen optimalen Ablauf zu ermitteln.
Das Unternehmen kombiniert die Mikrobe mit einem Hefestamm, der Zucker in Ethanol umwandelt, während die Mikrobe Zellulose abbaut. Das Ziel von Zymetis ist es, Produktionseinheiten zu entwickeln, die etwa 10 Millionen Gallonen Ethanol pro Jahr produzieren können – eine relativ bescheidene Produktion. Aber Laughlin sagt, dass kleineres Denken zu einer effizienteren, lokalen Produktion von Ethanol führen könnte, und er stellt sich eine Partnerschaft mit Papierfabriken und Abfallentsorgungsanlagen vor, um Ethanol vor Ort zu produzieren.
Wenn man sich eine Mais-Ethanol-Fabrik anschaut, ist es diese riesige Fabrik, sagt Laughlin. Wir platzieren lieber kleinere, effiziente Anlagen verteilt an den Standorten, an denen diese Altfasern verfügbar sind, und gewinnen so viel Effizienz, können schneller auf den Markt kommen und müssen keine Fasern anbauen . Laut Laughlin strebt das Unternehmen an, bis Mitte 2010 eine Pilot-Co-Location-Einrichtung mit einem unbekannten Partner einzurichten.
Qteros , ein Biotechnologieunternehmen mit Sitz in Marlborough, MA, verwendet ähnliche Methoden, um die Zellulose-Ethanol-Produktion zu steigern. Dort entwickeln Forscher eine Mikrobe, die die letzten beiden Stufen der Ethanolproduktion kombiniert: die Umwandlung von Zellulose in Zucker und die Umwandlung von Zucker in Ethanol. William Frey, CEO von Qteros, sagt, dass der Ansatz von Zymetis eine große Herausforderung darstellt, Zellulose-Ethanol erschwinglich zu machen.
Ein großer Teil der Kosten ist mit der Vorbehandlung und auch mit der Enzymhydrolyse verbunden, sagt Frey. Die Industrie sucht nach wirtschaftlichen und skalierbaren Technologien, und mikrobielle Lösungen können die Anzahl der Schritte und die Kosten reduzieren, und das ist ein großes Stück.