Gennembrud: Genmanipulerede svampe kan lave billigere bio-benzin

Bioethanol er tiltænkt en stor rolle som fremtidens brændstof i blandt andet køretøjer og kraftværker.

Nu er fremtiden kommet et skridt tættere på.

To spritnye forskningsresultater viser nemlig, hvordan vi kan blandt andet kan genmanipulere gær til at producere bioethanol på en meget mere effektiv måde. De nye forskningsresultater viser også, hvordan vi kan få mere bioethanol ud af den enkelte gærsvamp.

Til sammen har de to nye opdagelser potentialet til at gøre produktionen af bioethanol meget hurtigere og billigere og dermed mindske behovet for fossile brændstoffer.

Det fortæller professor Jens Nielsen fra Chalmers Tekniske Universitet i Göteborg og Novo Nordisk Foundation Center for Biosurstainability ved Danmarks Tekniske Universitet.

»Kombinationen af de to studier er vigtig og interessant. Man kan forestille sig, at netop denne kombination kan lede til store fremskridt inden for bioethanolproduktion,« siger Jens Nielsen.

Jens Nielsen står bag det ene af de to studier, der netop er offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Science.

LÆS OGSÅ: Sådan får vi billig bioethanol

Dansk forsker: Wow!

Professor Claus Felby fra Københavns Universitets Institut for Skov Natur og Biomasse forsker i netop udnyttelsen af naturens ressourcer til blandt andet bioethanolfremstilling. Han har ikke deltaget i de nye studier, men han har læst dem og er meget imponeret over specielt det danske studie.

»Det første, jeg tænkte, var 'Wow!' Det danske studie er virkelig et stort gennembrud, da forskerne er lykkedes med noget, som folk har kæmpet med i rigtigt mange år. Gær er den mest anvendte mikroorganisme i industrien, og perspektiverne i gærsvampe, der kan fungere ved højere temperaturer, rækker ind i medicinalindustrien, kemikalieindustrien og brændstofindustrien. Det er virkelig en revolution,« siger Claus Felby.

Claus Felby er også glad for det amerikanske studie, som, han mener, kan være med til at gøre fremstilling af bioethanol endnu bedre.

Amerikanere øger bioethanolproduktion med 80 procent

Forskerne bag det andet studie er amerikanske forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT). De mener også, at bioethanolproduktionen kan forbedres markant med de to nye studier.

I deres eget studie har de amerikanske forskere gjort gærsvampe mere tolerante over for den ethanol, gærsvampene selv producerer.

Det betyder, at svampene ikke dør, når ethanolindholdet i omgivelserne når en vis koncentration.

Ved at øge gærsvampenes tolerance for ethanol kunne de amerikanske forskere således øge produktionen af biobrændstof med 80 procent fra den samme mængde gærsvampe.

»Gærsvampenes tolerance over for alkohol er formentlig det enkeltstående største problem i produktionen af rentabel bioethanol i dag. Det problem løser vi med det her forskningsresultat,« fortæller professor ved Chemical Engineering på MIT Gregory Stephanopoulos i en mail til Videnskab.dk.

Gregory Stephanipoulos står bag det andet studie i Science.

Sådan laver man bioethanol

I bioethanolproduktion indgår meget få komponenter.

Det drejer sig stort set udelukkende om sukker eller stivelse fra eksempelvis majs eller hvede, enzymer til at nedbryde stivelsen og gærsvampe til at omdanne sukker til ethanol.

Hele processen foregår i store tanke, hvor processen udvikler varme. Det betyder, at tankene må nedkøles, for ellers dør gæren. Nedkøling af tankene koster penge, og samtidig fungerer de tilsatte enzymer faktisk bedst ved temperaturer omkring 45-50 grader celsius, mens gæren står af ved 35 grader.

Dertil kommer, at gærsvampene ikke er intolerante for den alkohol i form at ethanol, som de selv producerer. Når koncentration af alkohol kommer tilstrækkeligt højt op, fungerer gærsvampene dårligere, og produktionen af ethanol falder.

De to problemer er løst i de nye studier, hvor de dansk-svenske forskerne har ændret på gærsvampenes genomer, så de kan tolerere temperaturer op til 40 grader i stedet for kun 35 grader.

»Det et stort skridt i den rigtige retning, at vi nu kan lave gærsvampe, der kan fungerer ved højere temperaturer,« siger professor Jens Nielsen.

Gjorde gærsvampe varmetolerante

I det dansk/svenske studie har Jens Nielsen med kollegaer brugt naturens egne mekanismer til at gøre gærsvampe mere varmetolerante.

Det har de gjort ved at udsætte gærsvampe for 40 grader i tre måneder, og på den måde sørgede svampen selv for at udvikle måder til at klare varmen på.

Jens Nielsen fortæller, at gærsvampene havde det meget svært i starten af forsøget, men at de langsomt begyndte at udvikle mutationer, der gjorde dem bedre i stand til at klare de høje temperaturer.

Ved enden af de tre måneder stod forskerne med syv gærstammer, der over de tre måneder havde udviklet sig til at kunne vokse dobbelt så hurtigt ved 40 grader som normalt.

»Det er stort fremskridt, da det gør, at vi kan hæve temperaturen i bioethanolproduktionen betydeligt. Det vil gøre enzymernes nedbrydning af stivelse til sukker meget hurtigere og derfor hele produktionen hurtigere,« forklarer Jens Nielsen.

Én mutation var nok

Efter forskerne havde isoleret de syv gærstammer, helgenomsekventerede de dem for at finde ud af, hvilke mutationer der havde gjort gærsvampene mere varmetolerante.

Her viste det sig, at gærstammerne hver især havde mellem 20 og 30 mutationer forskellige steder i genomet. Helgenomsekventeringen viste også, at alle syv gærstammer havde mutationer i samme gen.

Faktisk fandt forskerne ud af, at én enkelt mutation var nok til at gøre gærsvampene varmetolerante, hvilket var en stor overraskelse.

»Det er ret unikt, at vi fandt, at én enkelt mutation er nok til at ændre så markant på varmetolerancen hos gærsvampe. Det er nok også årsagen til, at vores studie er så interessant. Det er jo langt nemmere at overføre én enkelt mutation til andre gærsvampe, end hvis vi havde fundet ud af, at det krævede en lang række mutationer forskellige steder i genomet at opnå varmetolerancen,« siger Jens Nielsen.

I studiet har forskerne arbejdet med en model-gærsvamp, som forskere altid arbejder med i studier af gærsvampe, men Jens Nielsen forklarer, at der ikke er store problemer i at overføre den enkelte genetiske mutation til de gærsvampe, som bruges i bioethanolfremstilling.

Mutation ændrede cellemembraner

Det danske studie er virkelig et stort gennembrud, da forskerne er lykkedes med noget, som folk har kæmpet med i rigtigt mange år [...] Det er virkelig en revolution.

Professor Claus Felby, Københavns Universitet

Forskerne fandt også ud af, hvordan mutationen havde gjort gærsvampen mere varmetolerant.

Mutationen befandt sig ifølge det nye studie i et gen, der har med gærsvampens produktion af steroler at gøre. Steroler er fedtstoffer, der findes i alle kroppens celler. Blandt andet er kolesterol en sterol.

Normale gærsvampe laver en sterol kaldet ergosterol, men mutationen fik gærsvampen til at producere fecosterol i stedet for.

Sterolerne bliver efter dannelsen en del af svampecellerens cellemembran, og her gør det en stor forskel, hvilke steroler der bliver inkorporeret i cellemembranens fedtlag.

»Steroler har indflydelse på, hvor flydende den fedtholdige cellemembran er ved forskellige temperaturer. På den måde gør fecosterolerne cellemembran mere fast i det ved højere temperaturer, end cellemembraner med ergosteroler ved de samme temperaturer. Med ergosterolerne og 40 grader bliver cellemembranne for flydende, og det går ud over gærsvampens velbefindende og produktion af ethanol,« forklarer Jens Nielsen.

Kemikalier gav gærsvamp energi

I det amerikanske studie forsøgte forskerne sig oprindeligt også med at manipulere gærsvampenes gener, men de måtte i sidste ende give op.

I stedet valgte de at kigge på, om det ville hjælpe noget at ændre på det miljø, som gærsvampene lever i.

Her fandt forskerne ud af, at det havde en stor indvirkning på produktionen af ethanol, hvis de tilsatte en masse kaliumklorid og gjorde gærsvampenes miljø mere basisk med kaliumhydroxid.

Når forskerne tilsatte de forskellige kemikalier, ændrede hastigheden på produktionen af ethanol sig ikke, men gærsvampene kunne i stedet producere meget mere ethanol, da de ikke længere blev forgiftet af deres egen ethanolproduktion.

»Ved at lave større forskel på koncentrationen af kalium inden for og uden for cellerne, giver vi cellerne mere energi til at modvirke det ugunstige miljø i ethanolen og fortsætte produktionen,« forklarer Gregory Stephandopoulos.

Gregory Stephandopoulos fortæller også, at forskerne har lavet deres forsøg med sukker- og enzymindhold, der er relevante for industrien.

»Opdagelsen vil derfor have direkte indflydelse på de kommercielle processer, der er involveret i produktionen af bioethanol fra store sukkerkoncentrationer,« siger Gregory Stephandopoulos.