Søker etter Biofuels' Sweet Spot

Den firefelts Anhangüera-motorveien fører nordvestover fra Brasils finanshovedstad, São Paulo, til noen av de mest produktive jordbruksarealene i verden. Utsikten fra et bilvindu avslører plantasjer med hårete eukalyptustrær og kubeite som er fulle av termitthauger. Åkre med sukkerrør ruller ut av syne over bakketoppene.

Sving til høyre ved kilometer 104,5 og du kommer inn i Techno Park, et ryddig bedriftsforskningsnabolag som ser ut som om det har blitt revet ut av forstaden California. Og det har det på en måte. I en bygning ikke langt fra inngangen står rader med pent organiserte arbeidsstasjoner, skinnende gjæringstanker og klirrende sentrifuger. Alt dette maskineriet er en nesten eksakt kopi av utstyret ved et anlegg i Emeryville, CA. Til og med kleshyllene er de samme.

Denne historien var en del av vår utgave fra mars 2010

• Se resten av saken
• Abonnere

Bygningen er den brasilianske utposten til Amyris Biotechnologies, et amerikansk forskningsantrekk som feires for sitt arbeid under et stipend fra Bill og Melinda Gates Foundation for å gjøre et knapt malariamiddel mer tilgjengelig. Grunnleggeren, Jay Keasling, regnes som en pioner innen syntetisk biologi, og malariaprosjektet, som kan redde mange tusen liv, har blitt omtalt i New Yorker. I mai i fjor ble Keasling tildelt Biotechnology Industry Organizations første Biotech Humanitarian Award.

Mindre godt publisert er at Amyris har samlet inn mer enn 170 millioner dollar i risikokapital for å komme seg inn i biodrivstoffbransjen, og at de nåværende planene krever å produsere nesten alt drivstoffet i Brasil. Roel Collier, en belgisk som snakker flytende portugisisk og leder Amyris Brasil-virksomhet, peker på en 12 meter høy ståltank der genmodifisert gjær nyter saften fra sukkerrøret som er så rikelig i dette landet. På innsiden er banebrytende amerikansk teknologi brukt på konkurransefortrinnet til Brasil, forklarer han.

De siste to årene har Colliers ansvar inkludert å frakte fat med frossen brasiliansk sukkerrørjuice til Amyris sitt laboratorium i California, rundt 10 000 kilometer unna. Der har forskere genetisk koblet om vanlige gjærceller for å fordøye caldo de cana, som juicen kalles, og gjøre den om til farnesene, en velduftende olje som Amyris har vist kan omdannes til diesel. I det raskt bevegelige feltet av syntetisk biologi – en disiplin som ser ut til å omskrive mikroorganismens DNA som om det var datakode – anses California-laboratoriene til Amyris som toppmoderne. Forskere lager og tester titusenvis av konstruerte gjærstammer hver uke. Selskapet sysselsetter nesten like mange PhD-gjærgenetikere som alle universitetene i Brasil.

Råstoff: En sukkerrørplantasje nær byen Campinas. Hver dekar gir nok sukkerrørjuice til å lage 3000 liter etanol.

Men Brasil tilbyr Amyris en kritisk fordel i forhold til USA: de økonomiske forholdene der egner seg til å utnytte teknologien kommersielt. Brasil er verdens mest effektive produsent av sukker. Store hauger av det hoper seg opp ved landets 420 sukkerrørraffinerier. Med sitt tropiske vær og aggressive forretningskultur dominerer landet den globale sukkerhandelen. Og enorme forsyninger av billig sukker er nøkkelen til å gjøre Amyris sin teknologi praktisk.

Grunnen til å reise til Brasil var ganske klar; det er den billigste og lettest tilgjengelige sukkerkilden for å drive teknologiplattformen, sier Keasling, professor i biokjemisk ingeniørvitenskap ved University of California, Berkeley, som også leder Joint BioEnergy Institute, en innsats på 135 millioner dollar finansiert av US Department of Energi for å utvinne sukker fra flis, gress og annet rimelig plantemateriale. Om 10 til 15 år kan arbeidet gjøre sukkermolekyler like billige å få tak i i USA som de er i Brasil. Foreløpig fortsetter imidlertid den amerikanske biodrivstoffindustrien å lage etanol ved å fermentere glukosen i maiskjerner. Og mais er en relativt kostbar sukkerkilde, som den amerikanske etanolindustrien har oppdaget til sin nød. Til tross for skattebetalersubsidier, har amerikanske produsenter ikke vært i stand til å oppnå konsekvent fortjeneste.

Historien er annerledes i Brasil, hvor sukkerrørfabrikker har produsert billig etanol siden regjeringen lanserte et press for drivstoffuavhengighet på 1970-tallet. Landets bilflåte bruker nå mer etanol enn bensin. Nesten 90 prosent av bilene produsert i Brasil kan kjøre på biodrivstoff. Industrien har innsett at geografi er skjebne, sier Mark Bunger, forskningsdirektør ved Lux ​​Research, et firma i New York som studerer kommersialiseringen av nye teknologier. Etter Bungers syn er det bare noen få steder på planeten som har regnet, solen og landmassen som trengs for å lage biodrivstoff til den skalaen og prisen som kan ha en reell innvirkning. Forståelsen vi kommer til er at det aldri kommer til å skje noen steder, sier han, og Brasil er det første stedet hvor økonomien gir mening.

Amyris nådde en lignende konklusjon for omtrent tre år siden - derav dets identiske gjæringslaboratorier i Emeryville og Brasil. Forskere i California fikser med gjær for å få den til å konvertere sukker til farnesene raskere; så sendes insektene sørover for testing under tropiske forhold. I år planlegger Amyris å starte byggingen av et ruvende gjæringskompleks i den brasilianske delstaten Goiás. Når det er gjort, skal det kunne produsere 100 millioner liter

grønn diesel hvert år.

Som etanol, vil Amyris drivstoff bli laget ved å fermentere sukker. Men selskapets forskere har redesignet gjær slik at mikrobene behandler den til brennbare hydrokarboner i stedet for alkohol. Det betyr at konkurransen om det grønne drivstoffet ikke er etanol, men diesel laget av petroleum og også biodiesel laget av vegetabilsk olje eller animalsk fett. Amyris sier at drivstoffet har en rekke fordeler fremfor begge. I motsetning til fossilt brensel er det laget av en fornybar kilde. Det bidrar også med mindre klimagass til atmosfæren: Selskapet beregner at dens brasilianske diesel vil slippe ut omtrent 80 prosent mindre klimagass enn konvensjonell diesel. Og sammenlignet med andre biodieseler, vil dets sukkerbaserte drivstoff være billigere å lage og vil gjøre det mulig for motorer som bruker det å gå bedre. Amyris administrerende direktør, en tidligere oljesjef ved navn John Melo, har forhandlet med selskaper som leter etter et grønt drivstoff, inkludert Federal Express, Virgin Atlantic og General Electric.

Gjærfabrikk: Ved Amyris sitt demonstrasjonsanlegg i Brasil produseres hydrokarboner i et gjæringstårn.

For mange syntetiske biologer er diesel bare begynnelsen. De tror at de i prinsippet kan lage mikroorganismer for å produsere erstatninger for ethvert petroleumsprodukt. Men det er store risikoer. Amyris sine gjærstammer har vist seg uventet sårbare. Og som med andre bioteknologiske prosesser som er avhengige av levende mikroorganismer, kan ingen si om grønn dieselproduksjon kan skaleres opp økonomisk fra de 1000-liters batchene som produseres i dag. Alle prognosene er basert på skalaeffektivitet for prosesser som aldri har blitt kjørt på disse skalaene, sier Noubar Afeyan, administrerende direktør for Flagship Ventures i Cambridge, MA, og en av grunnleggerne av LS9, en konkurrerende oppstart av syntetisk biologi. En stor utfordring er at det tar hundrevis av millioner av dollar for å bevise det, selv i middels skala.

For ni år siden var Amyris teknologi fortsatt et benkeprosjekt i Keaslings Berkeley-laboratorium. Forskere hadde sett på måter å lokke mikroorganismer til å produsere kommersielt nyttige produkter. Ved å legge til DNA fra planter og bakterier, designet Keaslings laboratorium til slutt nye bakterier og gjærceller som kunne lage store mengder isopentenylpyrofosfat. Med sine fem karbonatomer er kjemikaliet en slags legokloss av den naturlige verden; av det bygger planter og dyr isoprenoider, medlemmer av en stor klasse av molekyler som inkluderer kreftmedisinen taxol, vitamin E og dufter som grapefrukt og feromonene til kvinnelige kakerlakker.

Keasling visste at oppfinnelsen var verdifull, og i 2001 sendte han inn den første patentsøknaden i karrieren. Vi ønsket å bruke verktøyene på et reelt problem, sier han. Sjansen kom i 2004, da Bill og Melinda Gates Foundation bestemte seg for å donere 42,6 millioner dollar til et prosjekt som skulle produsere antimalariamedisinen artemisinin ved hjelp av Keaslings spesiallagde mikrober.

Artemisinin er for tiden avledet fra den søte malurtplanten, dyrket hovedsakelig i Afrika og Asia. Tilførselen av stoffet er ustabil, og prisene svinger vilt; de nådde 1100 dollar per kilo i 2006. Ved å bruke genmodifisert gjær for å produsere den fra sukker, lovet Keaslings tilnærming å løse forsyningsproblemet og dramatisk kutte prisen. Med sin sjanse til å redde tusenvis – kanskje millioner – av mennesker som ellers ville dø av malaria, har prosjektet blitt et symbol på syntetisk biologis potensial til å forandre verden til det bedre. Gates-pengene betalte for den raske utvidelsen av Amyris, som Keasling og tre av postdoktorene hans grunnla for å gjennomføre malariaprosjektet. Ved slutten av 2005, sier Amyris' tekniske sjef, Neil Renninger, brukte noen i selskapet netter og helger på å tenke på hvilke andre problemer teknologien deres kunne løse.

Inne i en fermentor metaboliserer genmodifisert gjær sukker og produserer farnesene, en velduftende hydrokarbonolje.

Amyris anslår at isoprenoidfamilien inkluderer rundt 50 000 forskjellige typer molekyler, så det var langt fra klart hvor du skulle fokusere neste gang. Da vi begynte å presentere VC-ene, sa vi at det er noen medisiner vi synes er interessante, og næringsstoffer, og til og med drivstoff – hva synes du? minnes Renninger. Men det var vanskelig å finne et prosjekt så meningsfullt for Amyris sine forskere som malaria. Dette var virkelig en kultur av mennesker som ønsker å redde liv og ikke tjene mye penger, sier han. Så når du kaster å lage grapefruktsmak foran dem – vel, det er ikke så interessant.

Ting begynte å endre seg i midten av 2006, da to av Silicon Valleys mest kjente risikokapitalfirmaer, Kleiner Perkins Caufield og Byers og grønnenergispesialist Khosla Ventures, tilbød å investere 20 millioner dollar i selskapet. Den amerikanske kongressen hadde vedtatt mandater for fornybart drivstoff i 2005, og satte i gang en bølge av spekulative investeringer i alle slags biodrivstoff. Geoffrey Duyk, administrerende direktør i TPG Biotech, som også satte penger inn i selskapet, husker at når Amyris godtok midlene, kom investorene inn og flyttet fokus til drivstoff.

Investorene begynte å fri til Melo, daværende sjef for British Petroleums nordamerikanske drivstoffvirksomhet, for å være Amyris sin administrerende direktør. Melo drev det han kaller en fin liten bedrift som involverte enorme lastebilflåter og mange terminaler, og genererte 34 milliarder dollar i inntekter. Da en rekrutterer først ringte ham om et bioteknologiselskap med et malariaprosjekt, husker han at min reaksjon var: 'Du må tulle. Jeg er en fyr med drivstoff,

så hva bryr jeg meg om?

Da han lærte mer om syntetisk biologi og møtte Amyris vitenskapelige stab, ombestemte Melo seg. Drivstoff er den største av alle virksomheter målt i inntekter, men som en prosentandel av overskuddet bruker oljeselskapene kun små summer på FoU og nesten ingenting på grunnforskning. Melo bestemte at hans gamle industri var moden for forandring. Evnen til å modifisere mikrober [betyr] at vi kan være Microsoft for drivstoff og kjemikalier, der vi faktisk skriver programvaren som går inn i gjæringstanken, sier han. For meg endret det spillet. Melo ledet selskapet til å jobbe med diesel, verdens mest brukte drivstoff for transport og et som ofte er mangelvare. Å produsere riktig type molekyl viste seg overraskende enkelt. I løpet av seks uker hadde forskerne byttet et enkelt enzym i artemisinin-produserende insekter og begynt å produsere farnesene, oljen de hadde identifisert som en potensiell forløper til diesel.

De ser ut som veldig forskjellige prosjekter - en er en medisin og en er et drivstoff - men den metabolske ruten er lik, sier Collier. Det var Amyris store fremskritt. Farnesene er en behagelig luktende olje som delvis står for lukten av epleskinn. Ved å utføre ett ekstra kjemisk trinn, hydrogenering, kan Amyris gjøre det gjærproduserte farnesenet til farnesan, et svært brennbart drivstoff med egenskaper som ligner på diesel.

Gjærstammer testes for effektivitet.

Som et hydrokarbon som diesel og bensin, vil farnesan ikke være utsatt for problemene som har påvirket andre biodrivstoff, satser Amyris. Etanol, for eksempel, kan blandes med vann, noe som kan skape problemer når vann kommer inn i bensinrørledninger. Planteavledede biodieseler inneholder i mellomtiden urenheter og kan tette motorer ved lave temperaturer. Farnesane, derimot, kan ganske enkelt slippes inn i det eksisterende drivstoffdistribusjonsnettet. Den har til og med en fordel fremfor vanlig diesel: den inneholder ikke forurensende svovel.

Men prosjektet vil bare ha innvirkning hvis det kan implementeres i massiv skala. Og ingen er ennå sikre på hvor godt syntetisk biologi vil fungere i slike skalaer. Synthetic Genomics, et selskap startet av gensekvenseringspioneren J. Craig Venter, nådde en avtale på 300 millioner dollar med ExxonMobil i fjor for å utvikle drivstoffproduserende alger. Likevel sa Exxons visepresident for forskning og utvikling, Emil Jacobs, til New York Times at han ikke ønsket å svelge prosjektets sjanser. For transportdrivstoff, hvis du ikke kan se om du kan skalere en teknologi opp, må du stille spørsmål om du trenger å være involvert i det hele tatt, sa han.

Evnen til å lage drivstoff i forbløffende mengder er ikke det eneste som trengs for at de skal bli et realistisk alternativ. De er også varer som selges til bunnpriser. Petroleumsindustriens produkt, liter for liter, er halve prisen av Coca-Cola. Hvor skulle hovedkostnadene være i Amyris sin produksjonsprosess? Hvis gjennomsnittene i etanolindustrien holdt til, ville sukkeret som gjæren lever av, representere over halvparten av den endelige prisen for å lage farnesan.

Disse beregningene var en del av det som førte til at Melo plantet flagget godt i Brasil, minnes investor Duyk. Amerikansk mais, selv om det er like ved hånden, ville ha vært et dårlig veddemål. I 2007 hadde blomstrende amerikansk etanolproduksjon fått maisprisene til å skyte så høyt at titusenvis av meksikanere demonstrerte over prisen på tortillas. Da oljeprisen falt i 2008 og maisprisene holdt seg på rekordnivåer, kunne mange amerikanske etanolprodusenter ikke lenger tjene penger.

En arbeider holder flasker med Amyris' sluttprodukt, diesel.

Skala, kostnader og konkurranse med matforsyninger er ikke de eneste problemene for biodrivstoff. Amyris ønsket å markedsføre sin diesel som bra for miljøet; brosjyrene deres hevder at No Compromise-drivstoffet vil frigjøre 80 prosent mindre karbondioksid i atmosfæren enn fossilt brensel. I dag er brasiliansk sukkerrør den eneste avlingen som muligens kan støtte Amyris sin grønne markedsføring. Brasilianske studier sier at sukkerrøretanol gir omtrent 7 til 10 ganger så mye energi som det tar å produsere drivstoffet; i kontrast gir etanol laget av mais bare litt mer enn å produsere den forbruker. Mens miljøpåvirkningen av å dyrke sukkerrør fortsatt er omstridt, er det klart at prosessen krever mindre energi enn å dyrke mais. Dessuten er Brasils biodrivstoffprodusenter mer effektive enn de i andre land, delvis fordi mange brasilianske fabrikker brenner sukkerrøravfall for å drive sine knusere og destillasjonsmaskiner, noe som reduserer bruken av fossilt brensel.

Som marked kan Brasil også ha andre fordeler. Landets etterspørsel etter diesel er høy, så Amyris kunne bygge en respektabel virksomhet uten å eksportere en dråpe. Brasil har også plass til å øke produksjonen: sukkerrør er nå plantet på rundt 3 prosent av Brasils dyrkbare land, men avlingen kan utvide seg til mer enn 100 millioner dekar som for tiden brukes til å beite storfe. Du kan sannsynligvis firedoble og femdoble stokkproduksjonen, sier Bill Haywood, administrerende direktør i LS9 og en tidligere oljeselskapsleder. Det er dårlig forstått av resten av verden. Jeg tror at Brasil kommer til å være fødselen av høy kvalitet

grønn diesel, akkurat som det var for etanol.

I desember inngikk Amyris en avtale om å bygge sitt første farnesene-anlegg, et anlegg på 100 millioner liter per år som vil bli bygget inne i den nybygde Boa Vista sukker- og etanolfabrikken i Goiás. Som en del av transaksjonen gikk Amyris med på å kjøpe en eierandel på 40 prosent i fabrikken fra eieren, Grupo São Martinho. Den totale betalingen, rundt 80 millioner dollar i kontanter og aksjer, var den høyeste prisen som noen gang er betalt for fresekapasitet i Brasil, ifølge São Martinhos president, Fábio Venturelli. Amyris ville ha kontroll over byggingen av sitt første store anlegg, for å sikre at det går problemfritt. Men til slutt planlegger selskapet å bytte teknologien sin for tilgang til sukkerrørjuice, en rimeligere tilnærming. Tanken er å la Brasils sukkerfabrikker betale for å ettermontere plantene sine mens Amyris bidrar med sin genmodifiserte gjær. Amyris ville deretter selge farnesene og dele overskuddet med bruket.

Selv om de kommersielle vilkårene kan være kompliserte, er ikke den grunnleggende pitch Amyris gjør det: i en industri som på mange måter er lavteknologisk (mer enn halvparten av Brasils sukkerrør er fortsatt hacket ned av machete-svingende dagarbeidere), lover den å gjøre møller til futuristiske bioraffinerier som er i stand til å produsere kjemikalier og drivstoff som er mer verdifulle enn sukker eller etanol. Mange brasilianske selskaper har tenkt i lignende baner. Da Venturelli ble administrerende direktør i São Martinho i 2008 og først så tegningene for Boa Vista-fabrikken, la han merke til at noen hadde skrevet en lapp på et tomt område. Det sto, Denne plassen for fremtidig sukkerrørbasert kjemikalie.

Mange spørsmål gjenstår imidlertid. Alle våre selskaper søker etter å være i forkant av drivstoffmarkedet, og de ser i Amyris muligheten for teknologioverføring, sier Alfred Szwarc, en teknisk rådgiver for UNICA, Brasils største sukkerrørforening. Men siden vi ikke vet prisen eller driftskostnadene, er det foreløpig mye spekulasjoner.

Den største usikkerheten er hvordan Amyris gjær vil fungere under industrielle forhold. Det vil være en av de første gangene syntetisk biologi har nådd en slik skala, og prosessen vil garantert by på tekniske problemer ingen andre bedrifter har møtt før. En bekymring: ville gjærstammer kan ri inn i gjæringstankene sammen med sukkerrørjuice. I sterile laboratorieeksperimenter er ikke det et problem. Men i en sukkerrørfabrikk kan gjær som ikke lager farnesene lett overvelde den laboratorieskapte varianten.

Nylig utvikling i artemisinin-prosjektet tyder også på at kostnader kan være et problem. Narkotikaprodusenten Sanofi Aventis, som gikk med på å håndtere kommersiell produksjon av antimalariamidlet, sier at den traff uventede hindringer og planlegger nå å produsere stoffet for $350 til $400 per kilo. Det er nær gjennomsnittsprisen på den planteavledede versjonen, men den er tre til fire ganger så dyr som Keasling har lovet i medieintervjuer.

I Brasil kan det hende at Amyris drømmer om å transformere den globale drivstoffvirksomheten må utsettes, i det minste for en tid. Selskapets første anlegg produserer kanskje ikke farnesene billig nok til å konkurrere mot diesel. I stedet vil farnesene produsert av São Martinho-fabrikken i utgangspunktet selges til forbrukerproduktmarkedet, hvor den kan kreve langt høyere priser enn det som betales for diesel. (Den kan blant annet brukes som fuktighetsgivende middel for leppestifter eller antialdringskremer.)

Det betyr at Amyris' forskere kan måtte vente en stund til for å forandre verden. Men Melo sier at selskapet ikke har trukket seg unna målet om å bli en stor kraft i drivstoffmarkedet. Vi handler alle om innvirkning, sier han. Å redde tusenvis av barn er innvirkning. Med drivstoff er det skala. Hvis vi ikke kan skalere vårt bidrag til CO2 [utslipp] eller grønn produksjon, vil vi være irrelevante.

Antonio Regalado er en medvirkende korrespondent for Vitenskap i Latin-Amerika og tidligere redaktør ved TR. Han er basert i Sao Paulo.

gjemme seg