Przez dziesiątki tysięcy lat ludzie polegali na naturze, która dostarczała im wszystkiego, czego potrzebowali, aby czuć się bardziej komfortowo. Tkali ubrania i tkaniny z wełny, bawełny lub jedwabiu i farbowali je barwnikami pochodzącymi z roślin i zwierząt. Drzewa dostarczały materiału do budowy domów, mebli i wyposażenia. Wszystko to zmieniło się w pierwszej połowie XX wieku, kiedy chemia organiczna opracowała metody tworzenia wielu z tych produktów z ropy naftowej. Pochodzące z ropy syntetyczne polimery, barwione sztucznymi barwnikami, wkrótce zastąpiły naturalne włókna w ubraniach i tkaninach. Tworzywa sztuczne w szybkim tempie zastąpiły drewno i metale w wielu przedmiotach konsumpcyjnych, budynkach i meblach. Jednak biologia może wkrótce wziąć odwet na tych syntetycznych, ropopochodnych dobrach konsumpcyjnych. Zaostrzone przepisy dotyczące ochrony środowiska oraz rosnąca masa nierozkładających się syntetyków na wysypiskach śmieci sprawiły, że produkty ulegające biodegradacji stały się ponownie atrakcyjne. Rosnące obawy o zależność od importu ropy naftowej, szczególnie w USA, oraz świadomość, że światowe zasoby ropy nie są nieograniczone, to dodatkowe czynniki skłaniające przemysł chemiczny i biotechnologiczny do badania bogactwa natury w poszukiwaniu metod zastąpienia syntetyków opartych na ropie naftowej.

Poświęcona jest temu cała gałąź biotechnologii, znana jako „biała biotechnologia”. Wykorzystuje ona żywe komórki – z drożdży, pleśni, bakterii i roślin – oraz enzymy do syntezy produktów, które łatwo ulegają degradacji, wymagają mniej energii i wytwarzają mniej odpadów podczas produkcji. Nie jest to najnowsze osiągnięcie: w rzeczywistości biotechnologia już od pewnego czasu przyczynia się do rozwoju procesów przemysłowych. Przez dziesięciolecia enzymy bakteryjne były szeroko stosowane w produkcji żywności oraz jako aktywne składniki proszków do prania w celu zmniejszenia ilości sztucznych środków powierzchniowo czynnych. Transgeniczne Escherichiacoli są używane do produkcji ludzkiej insuliny w dużych zbiornikach fermentacyjnych, a pierwszy racjonalnie zaprojektowany enzym, używany w detergentach do rozkładania tłuszczu, został wprowadzony już w 1988 roku. Korzyści z wykorzystania naturalnych procesów i produktów są wielorakie: nie są one zależne od zasobów kopalnych, są bardziej wydajne energetycznie, a ich substraty i odpady są biologicznie degradowalne, co pomaga zmniejszyć ich wpływ na środowisko. Wykorzystując alternatywne substraty i źródła energii, biała biotechnologia już teraz wprowadza wiele innowacji do przemysłu chemicznego, tekstylnego, spożywczego, opakowaniowego i ochrony zdrowia. Nie jest więc zaskoczeniem, że naukowcy, przemysł i decydenci są coraz bardziej zainteresowani tą nową technologią, jej ekonomią i wkładem w zdrowe środowisko, co może uczynić ją wiarygodną metodą zrównoważonego rozwoju.

Jednym z pierwszych celów białej biotechnologii była produkcja biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Przez ostatnie 20 lat wysiłki te koncentrowały się głównie na poliestrach 3-hydroksykwasów (PHA), które są naturalnie syntetyzowane przez szeroką gamę bakterii jako rezerwa energetyczna i źródło węgla. Związki te mają właściwości podobne do syntetycznych tworzyw termoplastycznych i elastomerów od propylenu do kauczuku, ale są całkowicie i szybko degradowane przez bakterie w glebie lub wodzie. Najbardziej obfitym PHA jest poli(3-hydroksymaślan) (PHB), który bakterie syntetyzują z acetylo-CoA.Rosnąca na glukozie bakteria Ralstonia eutropha może zgromadzić do 85% swojej suchej masy w PHB, co czyni ten mikroorganizm miniaturową fabryką bioplastiku.

Głównym ograniczeniem komercjalizacji takich bakteryjnych tworzyw sztucznych zawsze był ich koszt, ponieważ ich produkcja jest 5-10 razy droższa niż polimerów na bazie ropy naftowej. Wiele wysiłku włożono w obniżenie kosztów produkcji poprzez rozwój lepszych szczepów bakteryjnych, ale ostatnio pojawiła się potencjalnie bardziej ekonomiczna i przyjazna środowisku alternatywa, a mianowicie modyfikacja roślin w celu syntezy PHA. Asmall amount of PHB was

first produced in Arabidopsisthaliana after the introduction of R. eutropha genes encoding twoenzymes that are essential for the conversion of acetyl-CoA to PHB (Poirier et al., 1992). Następnie Monsanto (St Louis, MO, USA) udoskonaliło ten proces w 1999 roku. Chociaż ta nowa fala polimerów ma ogromny potencjał, czas jej rozwoju jest niepewny. Po początkowym entuzjazmie, Monsanto i AstraZeneca (Londyn, Wielka Brytania) porzuciły te projekty ze względu na koszty. „Produkcja biopolimerów z roślin jest obiecującym i fascynującym wyzwaniem naukowym,” powiedział Yves Poirier z Laboratorium Biotechnologii Roślin w Instytucie Ekologii Uniwersytetu w Lozannie, Szwajcaria. Uważa on, że firmy niechętnie realizują te projekty, ponieważ wymagają one długoterminowych inwestycji, które nie odpowiadają harmonogramom finansowym i czasowym firm. „Dalsze modyfikacje genetyczne nadal muszą być wprowadzone w roślinach w celu ich poprawy,” powiedział, „a gdy te rośliny są tworzone, będą one wymagać konkretnych zbiorów i protokołów leczenia, w odniesieniu do zwykłych roślin. Wszystko to przekłada się na ciężkie inwestycje w nową infrastrukturę i systemy przetwarzania i do aconsiderable ilość czasu.” Osiem do dziesięciu lat jest jego przybliżone oszacowanie, jak długo to będzie przed roślin produkowanych PHAs może stać się ekonomicznie opłacalne.

Plany do produkcji koszulki z cukru kukurydzianego osiągnęły ten samimpasse. Firma Dupont (Wilmington, DE, USA), która wynalazła nylon, od wielu lat opracowuje polimer na bazie 1,3-propanodiolu (PDO) o nowych poziomach wydajności, sprężystości i miękkości. Dzięki temu, że zakład polimeryzacyjny Dupont w Decatur w stanie Illinois (USA) z powodzeniem produkuje PDO z cukru kukurydzianego, będącego surowcem odnawialnym, produkcja ta ma wymiar ekologiczny. Jednak, mimo że polimer na bazie kukurydzy o nazwie Sorona® jest bardziej przyjazny dla środowiska i posiada lepsze właściwości, jego sukces zależy ponownie od rynków. „Ian Hudson, dyrektor biznesowy ds. Sorony® w firmie Dupont, powiedział: „Przedsiębiorstwo planuje efektywne przejście z produkcji opartej na ropie naftowej na produkcję opartą na bio”. Firma opracowała innowacyjny biopolimer, NatureWorks™, który może być wykorzystywany do produkcji takich artykułów jak odzież, opakowania i wyposażenie biur. Polimer ten jest otrzymywany z kwasu mlekowego, który jest uzyskiwany z fermentacji cukru kukurydzianego. Został on już skutecznie wprowadzony na rynek i ostatnio pojawił się w amerykańskich sklepach spożywczych jako pojemnik na żywność organiczną.

Innym produktem, który mógłby odnieść duże korzyści z innowacyjnej biotechnologii jest papier. Znaczna część kosztów i znacznych zanieczyszczeń związanych z procesem produkcji papieru powstaje w wyniku „siarczanowania”, metody usuwania ligniny z substratu drzewnego. Lignina jest drugim po celulozie najobficiej występującym polimerem w przyrodzie i zapewnia roślinom stabilność strukturalną. Ze względu na znaczące korzyści ekonomiczne, jakie można osiągnąć, wiele badań poświęcono zmniejszeniu ilości ligniny lub modyfikacji struktury ligniny w drzewach, przy jednoczesnym zachowaniu ich wzrostu i integralności strukturalnej. Genetycznie modyfikowane drzewa o takich właściwościach już istnieją (Hu et al., 1999; Chabannes et al., 2001; Li et al., 2003), ale prawdopodobnie w najbliższym czasie nie będzie można na nich zarobić. Chociaż przemysł papierniczy mógłby osiągnąć znaczne zyski dzięki obniżeniu kosztów produkcji, nie podjęto jeszcze żadnych dużych projektów w tym kierunku. Alain Boudet, profesor z Centrum Biotechnologii Roślin Warzywnych na Uniwersytecie Paul Sabatier (Castanet-Tolosan, Francja), zidentyfikował dwie główne przeszkody na drodze do komercjalizacji drewna transgenicznego. „Po pierwsze, zanim drzewa ze zmienioną ligniną będą mogły być powszechnie stosowane, trzeba będzie przeprowadzić więcej testów ich rzeczywistej wydajności w warunkach polowych, poza laboratorium,” wyjaśnił. „Po drugie, z dużo większym trudem, trzeba będzie zdobyć akceptację społeczeństwa dla jeszcze nowych organizmów transgenicznych i dla dystrybucji produktów z nich pochodzących.

Biała biotechnologia koncentruje się również na produkcji energii z zasobów odnawialnych i biomasy. Skrobia z kukurydzy, ziemniaków, trzciny cukrowej i owsa jest już wykorzystywana do produkcji etanolu jako substytutu benzyny – pierwszy samochód Henry’ego Forda jeździł na etanolu. Obecnie część paliw silnikowych sprzedawanych w Brazylii to czysty etanol pochodzący z trzciny cukrowej, a reszta zawiera 20% etanolu. W USA 10% sprzedawanego paliwa to mieszanka 90% benzyny i 10% etanolu. Według raportu Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju z 2001 roku na temat biotechnologii i zrównoważonego rozwoju przemysłowego, USA posiada obecnie 58 zakładów paliwowych, które produkują prawie 6 miliardów litrów etanolu rocznie.

Ale przekształcanie skrobi w etanol nie jest metodą ani najbardziej wydajną ekologicznie ani ekonomicznie, ponieważ uprawa roślin do produkcji etanolu wymaga użycia herbicydów, pestycydów, nawozów, nawadniania i maszyn. Dlatego firmy takie jak Novozymes (Bagsvaerd, Dania), Genencor (PaloAlto, CA, USA) i Maxygen (Redwood City, CA, USA) badają możliwości pozyskiwania etanolu z celuloidu zawartego w drewnie, trawach i, co bardziej atrakcyjne, z odpadów rolniczych. Wiele z ich wysiłków koncentruje się na rozwoju bardziej efektywnych celulaz bakteryjnych, które mogą rozkładać odpady rolnicze na cukry proste, aby stworzyć bardziej obfite i tańsze surowce do produkcji etanolu.

To nie powstrzymało J. Craig Venter od założenia Institute forBiological Energy Alternatives (IBEA) w Rockville, Maryland (USA) w zeszłym roku doadvocate produkcji czystszych form energii. IBEA otrzymała niedawno od Departamentu Energii USA grant w wysokości 3 mln USD, którego celem jest przede wszystkim stworzenie sztucznego mikroorganizmu do produkcji wodoru. Pozbawiony genów tworzenia cukrów, które normalnie wykorzystują jony wodoru, organizm ten mógłby poświęcić całą swoją energię na produkcję nadmiaru wodoru i, idealnie, stać się asyntetycznym producentem energii.

Biała biotechnologia może również przynieść korzyści medycynie i rolnictwu. WitaminaB2 (ryboflawina), na przykład, jest szeroko stosowana w paszach dla zwierząt, żywności dla ludzi i kosmetykach

i tradycyjnie jest wytwarzana w sześciostopniowym procesie chemicznym. W BASF (Ludwigshafen, Niemcy), ponad 1,000 ton witaminy B2 są obecnie produkowane rocznie w jednym fermentacji. Wykorzystując grzyba Ashbya gossypii jako biokatalizator, BASF osiągnął całkowitą redukcję kosztów i wpływu na środowisko o 40%. Podobnie cefaleksyna, antybiotyk aktywny wobec bakterii Gram-ujemnych, produkowany zwykle w długim, dziesięciostopniowym procesie syntezy chemicznej, jest obecnie wytwarzana w krótszym procesie opartym na fermentacji w DSM Life Sciences Products (Heerlen, Holandia). Jednakże witamina B2 jest tylko pojedynczym sukcesem – inne witaminy i leki są nadal tańsze w produkcji przy użyciu klasycznej chemii organicznej niż innowacyjnej białej biotechnologii.

Niemniej jednak potencjalne korzyści dla środowiska wynikające z przestawienia się na bioprodukty i bioprocesy są znaczące, uważa Wolfgang Jenseit z Instytutu Ekologii Stosowanej (Freiburg, Niemcy). „Nowe procesy bioprodukcyjne zastępują złożone reakcje chemiczne. Odpowiada to oczywiście znacznym oszczędnościom energii i wody” – wyjaśnia. Jest to również korzystne dla atmosfery: węgiel potrzebny do produkcji bioetanolu z biomasy został usunięty przez rośliny z atmosfery, a więc jego ponowne wprowadzenie do atmosfery poprzez spalanie etanolu nie przyczynia się do globalnego ocieplenia, podkreśla Jenseit. Jest to z pewnością dobra wiadomość dla krajów, które zobowiązały się do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych poprzez ratyfikację traktatu z Kioto.

I oczekuje się, że korzyści ekonomiczne pójdą za tym. Według globalnej firmy doradczej McKinsey & Company, biała biotechnologia zajmie do 10-20% całego rynku chemicznego w 2010 roku, z rocznym wzrostem 11-22 miliardów euro. Istnieją jednak ogromne różnice w sposobie zarządzania białą biotechnologią w Europie i USA, powiedział Jens Riese, główny współpracownik firmy McKinsey & Company z siedzibą we Frankfurcie. „Po pierwsze, całkowita suma zainwestowana w USA w biznes białej biotechnologii wynosi 250 milionów dolarów, co znacznie przekracza łączną sumę inwestycji europejskich” – powiedział. „Prawdopodobnie pod wpływem silnej geopolitycznej woli uniezależnienia się od importu paliw kopalnych, USA wykazują większą skłonność do rozwoju takich technologii. Europa, z drugiej strony, jest kulturowo bardziej ostrożna i mniej śmiała w przyjmowaniu innowacyjnych metodologii.”

Ale biała biotechnologia wzbudziła zainteresowanie w Europie. „Istnieje świadomość potrzeby innowacji w tym kierunku” – powiedział Oliver Wolf, pracownik naukowy Instytutu Perspektywicznych Badań Technologicznych w Sewilli, w Hiszpanii. „Chociaż jak dotąd nie istnieje jeszcze żadne konkretne ustawodawstwo, podejmowane są ważne kroki w kierunku promowania białej biotechnologii w Europie”. Biała biotechnologia ma potencjalnie duże korzyści, zarówno ekonomiczne, jak i środowiskowe, dla szerokiego zakresu zastosowań. Droga do jej rozwoju jest torowana, ale nadal jest to stosunkowo młoda technologia, która musi konkurować z dojrzałym przemysłem chemicznym opartym na ropie naftowej, który miał prawie sto lat na zoptymalizowanie swoich metod i procesów produkcyjnych. Niemniej jednak, rosnące obawy o środowisko i możliwość tańszej ropy w przyszłości czynią z białej biotechnologii poważnego konkurenta.