Živé továrny vyrábějí ropu

Není to snadné, ale investice do takového výzkumu mají větší smysl než podpora stávajících biopaliv.

Spalovat v motorech místo fosilních paliv vzniklých před miliony let organické látky vyrobené současnými organismy zní jako dobrý nápad, protože do atmosféry se tak (alespoň teoreticky) uvolní pouze tolik oxidu uhličitého, kolik se ho na tvorbu těchto organických látek spotřebuje. A navíc se jedná o obnovitelný zdroj energie. Biopaliva ale nemají nejlepší pověst. V extrémních případech se na výrobu jednoho litru spotřebuje více než litr konvenčních fosilních paliv. Především v mírném pásmu jsou energetické náklady spojené s výrobou hnojiv, obděláváním půdy, sklizní a zpracováním energetických plodin obrovské, takže sen o "uhlíkově neutrální" technologii, která by spalováním uvolňovala do atmosféry jen tolik oxidu uhličitého, kolik si ho předtím prostřednictvím fotosyntézy vezme, se rozplývá.

Ale i v klimaticky příhodnějších podmínkách jsou s biopalivy první generace spojeny potíže. Zabírají zemědělskou půdu, kácejí se kvůli nim pralesy, rostou ceny potravin... Nehledě na to, že do konvenčních paliv lze přimíchat pouze 10 až 20 procent biopaliv, mají-li bez větších problémů pracovat ve stávajících motorech. Zvyšovat jejich podíl výrazně nad 10 %, což je meta, které chce EU dosáhnout v roce 2020, tak není technicky možné.

Biopaliva přesto mohou mít budoucnost. Jen musíme zapomenout na řepku, cukrovou třtinu, kukuřici, palmu olejnou i sóju. Živé továrny na výrobu bionafty a bioetanolu budou mít spíše podobu mikroskopických řas, bakterií, možná i hub.

Ropa z řas je zatím příliš drahá

Jednobuněčné řasy skýtají ve srovnání s dnes využívanými energetickými plodinami četné výhody. Rychle se množí, v mnoha oblastech mohou růst celý rok, a protože se volně vznášejí ve vodě nebo rostou přisedlé na podkladu, nepotřebují budovat mohutné buněčné stěny z celulózy a ligninu, s jejichž rozkladem si poradí jen menšina mikroorganismů. Některé z nich produkuji tolik olejů a dalších snadno zpracovatelných zásobních látek, že tvoří až 70 % jejich hmotnosti. Nezabírají zemědělskou půdu, různým druhům se daří jak ve sladké, tak v mořské vodě.

Jejich produkty lze upravit na palivo plně srovnatelné s naftou, takže by ho bylo možno spalovat v běžných motorech bez nutnosti mísení s konvenčními palivy. A v neposlední řadě je lze pomocí genetického inženýrství upravovat tak, aby potřebám energetiky sloužily co nejefektivněji.

Palivo z řas lze vyrábět už dnes, zatím však v konkurenci s fosilními palivy neobstojí, protože jeho cena je několikanásobně vyšší. Po ropném zlomu však cena ropy nezadržitelně poroste (byť krátkodobě mohou ceny výrazně kolísat), zlepšující se technologie navíc budou cenu bionafty a bioetanolu z řas tlačit stále níže. Nehledě na to, že výrobní cena při produkci ve velkém měřítku bude nižší než dnes v malých pilotních projektech.

Na komercializaci paliv z řas pracuje například kalifornská společnost Sapphire Energy, do níž investoval mimo jiné i Bill Gates. Zatím tak činí pouze v malém měřítku, s podporou z vládních grantů však nyní v Novém Mexiku buduje farmu o rozloze 120 hektarů.

Další zelená revoluce

Na vlastním projektu pracuje i NASA. Na první pohled nejde o nijak pokročilou technologii. Projekt OMEGA (Offshore Membrane Enclosure for Growing Algae, tj. Pobřežní membránová ohrada pro pěstování řas) se pokouší zabít tři mouchy jednou ranou - kombinuje v sobě výrobu biopaliv, čištění odpadních vod a zpracování oxidu uhličitého produkovaného průmyslem.

Řasy by podle NASA měly růst v obřích plastových trubicích vznášejících se v pobřežních vodách. Přitékala by do nich znečištěná voda bohatá na živiny, přičemž povrch trubic by tvořila polopropustná membrána, která propouští vodu, ale řasy ani rozpuštěné látky se přes ni nedostanou.

Řasy by tedy zpracovávaly živiny, čímž by vodu čistily, oxid uhličitý by do trubic pronikal buď z vnějšího prostředí, nebo by byl uměle přiváděn coby odpadní plyn z průmyslové výroby. Vlny by obsah trubic promíchávaly, vyčištěná voda by osmózou po koncentračním spádu odtékala přes membránu do moře.

"Možná stojíme na prahu zásadní změny v lidské historii - od lovu a sběru energie k jejímu udržitelnému pěstování," nabízí v časopise New Scientist (v článku převzatém časopisem Slate) paralelu k zemědělské neolitické revoluci Jonathan Trent z Amesova výzkumného centra NASA, který má projekt OMEGA na starosti.

Produkci biopaliv z řas podporuje i Evropská unie. Řasy lze pěstovat jak v otevřených nádržích, tak v bioreaktorech. První možnost je levnější a jednodušší, naráží však na problémy spojené s kontaminací a s obtížným zajištěním stabilních podmínek. Bioreaktory jsou nákladnější, umožňují však produkci biopaliv efektivně řídit.

Syntetická biologie vyrábí organismy na zakázku

Biopaliva z řas však stojí stále na počátku svého rozvoje. Letos v březnu prohlásil šéf Exxon Mobil Rex Tillerson, že komerční využití takových paliv je zřejmě otázkou budoucnosti vzdálené více než 25 let. ExxonMobil přitom už do výzkumu investoval 600 milionů dolarů, jimiž podpořil úsilí společnosti Synthetic Genomics. Za tou stojí "zlobivé dítě genetiky", geniální samorost Craig Venter.

Venter se poprvé celosvětově proslavil na počátku tisíciletí, kdy se svým týmem úspěšně konkuroval mezinárodnímu projektu čtení lidského genomu - srovnatelných výsledků tehdy dosáhl výrazně levněji a oba týmy své výsledky představily zároveň, jeden v Nature, druhý v Science. Před třemi lety pak Venter s kolegy vytvořili v laboratoři umělý genom (mírně upravenou kopii genomu jednoho druhu bakterie) a transplantovali ho do buňky jiné bakterie, z níž předtím její vlastní genetickou informaci odstranili. Přestože novinové titulky hlásající stvoření "umělého života" notně přeháněly, byl to obrovský úspěch na poli nově vznikajícího oboru syntetické biologie, jejímž je Venter horlivým propagátorem.

Venter věří, že v blízké budoucnosti bude možné vyrábět mikroorganismy doslova šité na míru lidským potřebám. Zatímco dnes umíme vnést do buněk jeden nebo několik málo genů a pozměnit tak některé jejich vlastnosti, syntetická biologie v principu umožňuje sestavit zcela umělé genomy, jejichž vnesení do organismu by zafungovalo jako šém na golema.

ExxonMobil do Venterovy společnosti investoval před čtyřmi lety a v tiskovém prohlášení tehdy sliboval, že palivo z řas by mohlo být komerčně dostupné za pět až deset let. To se sice ukázalo jako nereálné, spolupráce však trvá. Obě společnosti letos v květnu oznámily další etapu, v níž budou klást důraz právě na genetické modifikace mikroorganismů vedené snahou proměnit je v efektivní "živé továrny" na výrobu biopaliv.

Zapřáhneme do práce střevní bakterii

Craig Venter není v úsilí "přeprogramovat" mikroorganismy sám. Letos v dubnu například publikoval tým vedený Johnem Lovem z britské University of Exeter výsledky svého výzkumu podporovaného společností Shell. Pomocí genů vypůjčených ze dvou druhů bakterií, jedné sinice a kafrovníku vytvořili v bakteriálních buňkách zcela nové metabolické cesty.

Naučili střevní bakterii Escherichia coli produkovat směs uhlovodíků využitelnou coby plnohodnotná náhrada nafty. Cílenými zásahy do genomu se jim podařilo kontrolovat délku uhlíkových řetězců a jejich větvení tak, aby výsledná směs byla co nejpodobnější složení fosilních paliv.

Spojenectví sinice s bakterií

Jiné vědecké týmy se pokoušejí vytěžit z mikroorganismů maximum díky tomu, že pochopí jejich chování na molekulární úrovni, aniž by měly ambice aktivně zasahovat do jejich genů. Například Larry Wackett z University of Minnesota s kolegy zkoumá možnost, jak využít spolupráci sinice Synechococcus a bakterie Shewanella pěstovaných ve společné kultuře. Sinice fotosyntézou vyrábí z vody, oxidu uhličitého a sluneční energie organické látky, které pak bakterie proměňuje na uhlovodíky s řetězci o délce 25 až 31 uhlíků.

Vědci identifikovali klíčový enzym, který se na produkci uhlovodíků v bakteriálních buňkách podílí, a hledají cesty, jak zvýšit jeho efektivitu. Zároveň vyvíjejí podpůrné technologie, například membrány, na nichž by mohl biofilm tvořený bakterií Shewanella růst. Založili kvůli tomu i start-up BioCee.

Houba vyrábí mykonaftu

Na pomoc s řešením energetické krize by mohla přispěchat i houba Gliocladium roseum z patagonského pralesa. Vědci ji znají už dlouho, její kmen skrývající se ve stromě ulmo (Eucryphia cordifolia) je však překvapil. Rozkladem celulózy totiž produkuje uhlovodíky a jejich deriváty obsažené v ropě. To sice není až tak výjimečné, tato houba však vytváří širší paletu uhlovodíků a ve vyšších koncentracích než jiné druhy.

Zatímco první generace biopaliv se vyrábí pouze ze snadno zpracovatelných látek produkovaných rostlinami (cukry, oleje), druhá generace vzniká i ze dřeva a dalších částí rostlin obsahujících těžko rozložitelnou celulózu a lignin. Enzymatické rozbití složitých makromolekul celulózy je však velmi náročné, což výrobu biopaliv prodražuje a komplikuje. Houba Gliocladium by nám umožnila tento krok přeskočit a vyrábět bionaftu přímo z celulózy. Otevřela by se tak cesta k efektivnímu využití dřevní štěpky, slámy a dalšího rostlinného odpadu.

Tým Garyho Strobela z Montana State University, který unikátní schopnosti jihoamerické houby objevil, získal v prosinci 2009 od americké Národní vědecké nadace dva miliony dolarů na další výzkum, v roce 2011 s ním začaly spolupracovat i Sandia National Laboratories.

Neznamená to, že by k výrobě bionafty musela sloužit přímo houba žijící nenápadně mezi buňkami ve dřevě jihoamerického stromu. Vědci se pokoušejí identifikovat geny, které jsou za produkci uhlovodíků zodpovědné, a hledají způsoby, jak je vložit do jiných mikroorganismů s vlastnostmi vhodnými pro kultivaci v průmyslovém měřítku. Označení "mykonafta", které pro směs uhlovodíků produkovaných houbou Strobel s kolegy vymysleli, ale takto vyráběné kapalině asi už zůstane.