Können Algen die Welt zu retten? Ein Q&A mit Craig Venter

Mikroben werden die (menschliche) - und Kraftstoff-Nahrungsmittelhersteller der Zukunft, wenn J. Craig Venter hat seinen Weg. Der Mann verantwortlich für eines der ursprünglichen Sequenzen des menschlichen Genoms sowie das Team, das Sie gebracht hofft die erste lebende Zelle läuft jetzt auf die menschengemachten DNA, Algen um alles Bedürfnisse der Menschheit zu nutzen. Alles was man braucht ist ein wenig genomische Engineering.

"Nichts Neues erfunden werden muss. Wir müssen nur [Gene] kombinieren in einer Weise, der Natur nicht zuvor getan hat. Wir Entwicklung von Milliarden von Jahren beschleunigt sind,"sagte Venter einer Energiekonferenz am 18. Oktober bei der New America Foundation in Washington, D.C."Es ist schwer vorstellbar, einen Teil der Menschheit nicht wesentlich beeinträchtigt."

Venter wandte seine Aufmerksamkeit auf die genetische Manipulation von Algen, nach eine zweijährigen Kreuzfahrt Probe DNA in den Ozean. Ziel war es, die Bausteine der Zukunft für eine Biologie zu ernten, die von den Basen A, C, G und T in 1 und 0 umgewandelt wurde – eine digitalisierte Biologie. Er fand, dass die meisten der Millionen von Genen gesammelt kamen aus Algen, ein winziger Lebewesen auf unserem Planeten, sondern hat bereits einen überdimensionalen planetaren Einfluss bietet mehr als ein Drittel des Sauerstoffs, die wir atmen.

Venter ist bemüht, die Auswirkungen weiter zu steigern. Seine überarbeitete photosynthetischen Zellen nehmen in Kohlendioxid und Sonnenlicht und speien, Kohlenwasserstoffe bereit für die Erdölraffinerie errichtet (der Öl-Riese, die Venter Unternehmen Synthetic Genomics $ 300 Millionen bei den Mitteln für Datum zur Verfügung gestellt hat). Dabei schaltet sich die Algen ein Problem – CO2 verursacht Klimawandel – und verwandeln es in eine Lösung – erneuerbare Kraftstoffe und verlangsamt die globale Erwärmung. "Der Versuch, CO2 zu erfassen und vergraben ist gerade stumm; Es wird dem nachwachsenden Rohstoff für die Zukunft sein", sagte er.

Sein kommerzielle Unternehmen Synthetic Genomics, hat jetzt auch ein neues Unternehmen mit mexikanischen Wertpapierfirma Plenus genannt Agradis gebildet. Da Algen Multimilliarden-Jahr Erfolgsbilanz mit Photosynthese und genetische Experimente Agradis soll Verbesserungen bei landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, ob diese genetische Füllhorn verwandeln Mais oder Raps – sowie die Verwendung Algen als Modell für verschiedene neue genetische Kombinationen testen. Eine ähnliche Partnerschaft zwischen Monsanto und Algen Firma Sapphire Energy "unsere Algen-Plattform, die wir zu mir nach Genen entwickelt, die ihren Kern für landwirtschaftliche Erzeugnisse, übertragen kann nutzen", erklärt Tim Zenk, Saphir Vice President für corporate Affairs in einem vorherigen Gespräch mitScientific American. "Wenn Sie genetisches screening in Algen tun, erhalten Sie Hunderte von Millionen von Eigenschaften auf dem Bildschirm und das beschleunigt die Chancen etwas zu finden, die übertragen werden können."

Wenn das nicht reicht, Venter sieht eine Rolle für synthetische Biologie in Essen über Pflanzen und Tiere – insbesondere der wachsenden Hunger nach Fleisch auf der ganzen Welt. "Es braucht 10 Kilogramm Getreide zur Herstellung eines Kilogramms Rindfleisch, 15 Liter Wasser auf ein Kilogramm Rindfleisch, zu erhalten und die Kühe produzieren eine Menge an Methan," ein weiteres potentes Treibhausgas, Venter beobachtet. "Warum nicht die Kühe loswerden?" Ersatz: Fleisch in einem Reagenzglas von Mikroben durch synthetische Biologie angebaut.

Es ist nicht wahrscheinlich, Sie werde den Kauf mikrobielle Fleisch in naher Zukunft, aber es ist auch klar, dass die Biologie als eine Schriftart von Lösungen für die Zukunft nicht übersehen werden darf. "Das Problem mit vorhandenen Biologie ist, dass Sie nur ein oder zwei Gene gleichzeitig ändern," stellte er fest, der heutige Gentechnik. "Wir bauen einen Roboter um 1 Million Chromosomen pro Tag zu machen und selbst lernen. … Die einzige Einschränkung ist unser Wissen über Biologie."

Scientific American sprach mit Venter über seine Hoffnungen für Algen und der synthetischen Biologie.

[Eine editierte Abschrift des Interviews folgt.]

Warum Algen?

Betrachtet man die Ausbeute an verschiedenen landwirtschaftlichen Kulturen, ist keiner von ihnen sehr beeindruckend im Vergleich zu was werden, [um Öl zu ersetzen getan muss]. Dann schauen Sie das Produktionspotenzial aus Algen, und es ist ein bis zwei Größenordnungen besser als das am besten Agrarsystem. Wenn wir versuchten, flüssige Kraftstoffe ersetzen alle Kraftstoffe in den USA zu machen und Sie versuchen und zu tun, die aus Mais dauert einer Anlage drei Mal so groß wie das Festland der USA es Wenn Sie versuchen, es zu tun aus Algen, ist es eine Anlage etwa die Größe des Staates Maryland. Einer ist machbar und das andere ist einfach absurd, aber wir haben keine Alge Lobby.

Es ist zuvor versucht worden, gehen den ganzen Weg zurück um die Wende des letzten Jahrhunderts. Es ist keine neue Idee, Algen zu verwenden, um zu versuchen, etwas zu tun. Aber niemand hat das erforderliche Niveau der Produktion erreicht. Jeder ist auf der Suche nach einer natürlich vorkommenden Algen, die eine Wunder-Zelle zur Rettung der Welt zu sein und nach einem Jahrhundert auf der Suche, Menschen noch habe es nicht gefunden. Wir hoffen, dass wir verschieden sind. [Genetische] Werkzeuge geben uns ein neues Konzept: die Möglichkeit, den genetischen Code umzuschreiben und erhalten Zellen zu tun, was wir von ihnen wollen.

Was sind die großen Hürden?

Alle versuchen, Sachen zu wachsen hat die gleichen Herausforderungen. Auf der Seite von Wachstum, tun wir mit dem Programm [Synthetic Genomics] Exxon testen wir eigentlich jede Technologie auf Wachstum. Dann gibt es die Zelle Biologie Seite, die Herstellerseite. Wie stellen Sie her auf der Skala des Multiple-Quadrat-Meile Einrichtungen und Milliarden Gallonen von flüssigen Kohlenwasserstoffen, die in Raffinerien ExxonMobil gehen können? Die Hälfte des Geldes von den $ 600 Millionen auf den Tisch geht auf wichtige technische Tests und Konzepte.

Es ist genau die Größe, die Kosten-Milliarden-Dollar-Plus Einrichtungen. Immer Algen, die sind wirklich robust und übersteht wahre Industriebedingungen auf kommerzieller Basis. Sie sich nicht leisten, eine Anlage zur Kontamination herunterzufahren. Die meisten Algen Züchter haben eine ziemlich häufige Tempo dazu.

Auf der Zelle Biologie und Belastung Entwicklung Seite der Dinge haben wir eine große, Gewächshaus, die Anlage in La Jolla [Cal] testen wir erheben keinen Anspruch auf sofortige Antworten haben. Wir sprechen eine systematische wissenschaftliche Methode zu versuchen, die letzten Technologien und neue mit neuen Wendungen. Die Sache, die den Unterschied machen wird ist die veränderter Zelle, Zellen, die 10 bis 100 [Mal] so viel produzieren können. Die gleichen Gentechnik und Genom-Technik, die wir haben, wir können Zellen gegen Viren resistent sind.

Der wissenschaftliche Durchbruch, die wir schon gemacht – angezogen, die Exxon — wir entwickelt [a] Zelle Pumpe Kohlenwasserstoffe aus der Zelle. Algen sind ein Problem der Landwirtschaft: Anbau, Ernte, extrahieren. Es ist ein Work In Progress, und wir arbeiten hart daran.

Wie lange wird das dauern?

Wir haben nicht die endgültige Antwort auf alles. Wir evaluieren tausende von Sorten und eine große Anzahl von genetischen Veränderungen. Die langfristige Lösung ist es, den gesamten genetischen Code von Grund auf neu zu machen und die Parameter steuern. Dies ist für uns eine langfristige Planung. Es ist ein 10-Jahres-Plan. Wir sind nicht viel versprechende neuen Kraftstoff für Ihr Auto in den nächsten 18 Monaten.

Wie lange würde es dauern, bis Leute Gas-Algen Kraftstoff Up mit kann?

Der Zeitaufwand für eine großtechnische Anlage Milliarden Gallonen produzieren zu bauen; Es dauert drei bis vier Jahren nur um die Anlage zu bauen, sobald wir wissen, was zu bauen. Es gibt eine Menge von Bio-Geplapper und Hype draußen aus einer Menge von Bioenergie-Firmen nenne ich. Ich sehe es nicht. Dies sind große Herausforderungen. Niemand hat die Erträge, die ich bewusst bin, zu machen, wirtschaftlich – und wenn es nicht wirtschaftlich ist, es kann nicht konkurrieren. Es wird für diejenigen sein, die mit wissenschaftlicher Innovation und tiefe-Tasche-Partnern, die sehen können, um die langfristige Investitionen tätigen, um irgendwo zu erhalten.

Wie erhalten Sie die Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff, um Algenwachstum zu stimulieren?
Wir brauchen drei Hauptbestandteile: CO2, Sonne und Meerwasser, abgesehen von der Anlage und die Raffinerie, all diese Dinge zu konvertieren. Wir suchen an Standorten auf der ganzen Welt, die wichtigsten Bestandteile haben. Es hilft, wenn es in der Nähe einer großen Raffinerie ist, weil die Transportwege begrenzt. Verschieben von Milliarden Gallonen von Kohlenwasserstoffen um ist teuer. Raffinerien sind aber auch eine gute Quelle für konzentrierte CO2.

Es ist die Integration des gesamten Prozesses. [Synthetic Genomics] versucht nicht, ein Kraftstoff-Unternehmen zu werden. SGI Tankstellen draußen werden Sie nicht sehen, wir verlassen, die zu ExxonMobil. Wir helfen ihnen die Quelle von Kohlenwasserstoffen auf Material aufbereitet von CO2 zu verlagern.

Was ist mit Wasser? Algen benötigen eine Menge davon zu wachsen.

Wir denken, dass wir recyceln kann eine Menge, was wir tun. … Neuartige Technologien für das recycling von Abwasser [wie mikrobiellen Brennstoffzellen]. Wasser ist ein Problem, recycling und erfassen alle Nährstoffe zurück. Wenn Sie Tonnen Dünger pro Hektar hinzufügen sind Sie nicht wirklich etwas lösen.

Was war die größere Herausforderung: das menschliche Genom oder Algen?

Es gibt 500 verschiedene Parameter in den Zellen und in den Systemen. Absolut, Algen ist die größere Herausforderung. Ich habe [das menschliche Genom] in neun Monaten. Dies ist auf jeden Fall eine größere Herausforderung. Es hat auch viel größeren Auswirkungen auf die Welt, wenn wir Erfolg haben.

Wie wird die synthetischer Biologie eine Rolle spielen?

Design Genom und Gencode Synthese spielen eine große Rolle. Wir müssen diese Parameter steuern. Ich bezweifle es jede natürlich vorkommende Zelle, die all jene auf optimale Weise kombinieren würde. Es hätte keiner Wert in Bezug auf die natürliche Entwicklung. Wir haben es passieren und tun es synthetisch mit unseren Programmen zu machen.

Die Synthese-Seite davon ist nicht mehr eine Herausforderung. Die Zelle begannen wir mit ist eine Ziege-Erreger. Freuen Sie sich auf 1,1 Millionen Basenpaaren. Einige der einfacheren Algen sind nicht sogar doppelt so groß. Wir machen regelmäßig Chromosomen in Megabase Größenbereich. Synthese ist nicht mehr die Ratenbegrenzung Schritt für dieses Problem.

Der Zustand der biologischen Wissens in der Welt ist so begrenzt. Auch die Mykoplasmen Zellen mit weniger als 500 Genen gibt es immer noch 200 Gene unbekannter Funktion in dieser Zelle. Es ist kein lebendes System, wo wir verstehen auch die meisten der Gene in der Zelle und was sie alle tun. Das ist unsere größte Herausforderung: die Grenzen des biologischen Wissens zu diesem Zeitpunkt überwinden.

Jetzt wissen wir aufgrund unserer synthetische Zelle, einmal sind wir in der Lage zu entwerfen, was wir wollen, können wir es bauen. Das ist nicht etwas, was wir vor fünf Jahren wussten. Niemand machte die Sache. Das größte Stück des synthetischen DNA war 30.000 Basenpaare. Jetzt sind wir machen diese große Konstrukte und in der Lage, etwas mit ihnen um die Biologie zu testen.

Sagen Sie mir über die zweijährige Sorcerer II cruise, wo Sie eine riesige Menge an DNA Ozean Stichprobe – so groß, dass Sie abgeschlossen, 95 Prozent aller Gene bekannt, um Wissenschaft zu finden.

Wir wussten damals nicht, was, die wir im Bereich Algen landen würde. Wir probierten in der Tat bei einem Blick auf den genetischen Code zu verstehen, was da draußen war. Wir haben eine breitere Sicht als fast jeder über die Vielfalt der Genetik und Algen auf der ganzen Welt. Das ist, warum wir nicht so optimistisch über die Suche nach den magischen Fehler gibt, um alles zu tun. Diese 50 [Millionen] oder 60 Millionen Gene, die Sorcerer II entdeckt hat, sind die gestalterische Komponente der Zukunft.

Warum das? Was sind die Beweggründe?

Wir alle Leben auf demselben Planeten. Das schlechte Klischee ist: Wir sitzen alle im gleichen Rettungsboot. Wenn jemand eine Bohrmaschine und Bohrer ein Loch in den Boden des Bootes dauert, sind wir alle geschraubt. Die Änderungen in die Atmosphäre und die Änderungen an der Ressourcen haben wir auf diesem Planeten aus Erschöpfung unserer Ressourcen und unter Kohlenstoff aus dem Boden ist etwas, unabhängig von jemandes Politik — Sie nicht so, dass langfristige weitermachen. Selbst diejenigen nicht schlau genug, zu wissen, die Wissenschaft und die Auswirkungen davon sind schlau genug, zu wissen, dass die Welt auf irgendeine Art von Steuer auf Kohlenstoff verlagert wird. Früher oder später wird nicht Öl-und Kohle haben keine Wahl. Zukunftsorientierten Unternehmen versuchen, einen echten Sprung auf, die jetzt zu bekommen. Keine dieser Lösungen sind Dinge, die Sie nur abholen ein Buch und finden die Lösung. Es ist die langfristige Forschung.

Was ist die Rolle des Staates in nachhaltige Lösungen drängen?

Sie sollten versuchen, eine ganze Menge intelligenter sein, die Fragen, vielleicht zu viel der Regierung. Wenn wir erfolgreich sind und andere erfolgreich sind in der Herstellung von alternativen Quellen von Kohlenwasserstoffen für Brennstoffe, schließlich wir Verlagerung die Versorgung und Verschiebung der Nachfrage nach Öl. Die Konsequenz dafür wäre, dass wir den Preis unserer wichtigsten Konkurrenten ständig fallen lassen würde. Regierungen werden in dieser Arbeit eine entscheidende Rolle spielen. Wenn Regierungen ständig einen höheren Preis für Kohlenstoff setzen nicht als CO2-basierten Brennstoffe entstehen, wird es wie der Jimmy Carter-Ära, wo allerlei Dinge angefangen und der Ölpreis stürzte wieder.

In den letzten Wissenschaftlern haben verbrachte viel Zeit damit zu Algen produzieren Öl oder andere Probleme lösen, vor allem bei der National Renewable Energy Laboratory [Pdf]. Aber die Regierung beenden Sie das Programm in den 1990er Jahren, Abschluss, Algen wäre nicht in der Lage, mit Öl, aufgrund des Aufwands der Systeme, it, Nährstoff Bedürfnisse und andere Hürden zu wachsen zu konkurrieren. Da Algen wechselvolle Vergangenheit, was macht Sie zuversichtlich, Erfolg?

Es ist wie die Ansprüche von Arsen fressende Bakterien: Menschen, die außergewöhnliche Ansprüche haben die Verpflichtung, außergewöhnliche nachweisen, dass ihre Forderungen erfüllt sind. Ich mag, Argumente zu gewinnen, indem er die Daten. Gerade jetzt hat niemand die Daten in eines dieser Felder. Wir haben einige neue Werkzeuge, die gleichen Probleme anzugehen. Algen hatte eine miese Geschichte. Es gibt keine Garantie, dass wir entweder gelingen wird.

Dieser Artikel erschien zuerst auf Scientific American. © 2011 ScientificAmerican.com. Alle Rechte vorbehalten. Wissenschaftlichen Amerikaner auf Twitter folgen @SciAm und @SciamBlogs. Besuchen Sie ScientificAmerican.com für die neuesten Nachrichten Wissenschaft, Gesundheit und Technik.