I tiotusentals år har människorna förlitat sig på att naturen skulle förse dem med allt de behövde för att göra sig bekväma. De vävde kläder och tyger av ull, bomull eller silke och färgade dem med färger från växter och djur. Träden gav dem material för att bygga hus, möbler och inredning. Men allt detta förändrades under första halvan av 1900-talet, när den organiska kemin utvecklade metoder för att skapa många av dessa produkter från olja. Syntetiska polymerer från olja, färgade med konstgjorda färgämnen, ersatte snart naturfibrerna i kläder och tyger. Plast ersatte snabbt trä och metall i många konsumtionsvaror, byggnader och möbler. Biologin kan dock vara på väg att ta revansch på dessa syntetiska, petroleumbaserade konsumtionsvaror. Strängare miljöbestämmelser och den växande massan av icke nedbrytbara syntetiska material i deponier har gjort biologiskt nedbrytbara produkter attraktiva igen. Den växande oron för beroendet av importerad olja, särskilt i USA, och medvetenheten om att världens oljetillgångar inte är obegränsade är ytterligare faktorer som får den kemiska och biotekniska industrin att utforska naturens rikedomar i jakt på metoder för att ersätta petroleumbaserade syntetiska ämnen.

En hel gren av biotekniken, den s.k. ”vita biotekniken”, ägnar sig åt detta. Den använder levande celler – från jäst, mögel, bakterier och växter – och enzymer för att syntetisera produkter som är lätt nedbrytbara, kräver mindre energi och ger upphov till mindre avfall vid tillverkningen. Detta är inte en ny utveckling: biotekniken har faktiskt bidragit till industriella processer under en längre tid. I årtionden har bakteriella enzymer använts i stor utsträckning vid livsmedelstillverkning och som aktiva ingredienser i tvättmedel för att minska mängden konstgjorda ytaktiva ämnen. Transgena Escherichiacoli används för att producera mänskligt insulin i storskaliga jäsningstankar, och det första rationellt utformade enzymet, som används i tvättmedel för att bryta ner fett, introducerades redan 1988. Fördelarna med att utnyttja naturliga processer och produkter är många: de är inte beroende av fossila resurser, är mer energieffektiva och deras substrat och avfall är biologiskt nedbrytbara, vilket bidrar till att minska deras miljöpåverkan. Genom att använda alternativa substrat och energikällor har den vita biotekniken redan lett till många innovationer inom kemi-, textil-, livsmedels-, förpacknings- och hälsovårdsindustrin. Det är därför ingen överraskning att akademiker, industrin och beslutsfattare är alltmer intresserade av denna nya teknik, dess ekonomi och dess bidrag till en sund miljö, vilket skulle kunna göra den till en trovärdig metod för hållbar utveckling.

Ett av de första målen på den vita bioteknikens dagordning har varit att tillverka biologiskt nedbrytbara plaster. Under de senaste 20 åren har dessa ansträngningar främst koncentrerats på polyestrar av 3-hydroxysyror (PHA), som naturligt syntetiseras av ett stort antal bakterier som energireserv och kolkälla. Dessa föreningar har egenskaper som liknar syntetiska termoplaster och elastomerer från propylen till gummi, men de bryts fullständigt och snabbt ned av bakterier i jord eller vatten. Den vanligaste PHA:n är poly(3-hydroxibutyrat) (PHB), som bakterier syntetiserar från acetyl-CoA. Bakterien Ralstonia eutropha, som växer på glukos, kan samla upp till 85 % av sin torrvikt i PHB, vilket gör denna mikroorganism till en bioplastfabrik i miniatyr.

En stor begränsning för kommersialiseringen av sådana bakteriella plaster har alltid varit deras kostnad, eftersom de är 5-10 gånger dyrare att producera än petroleumbaserade polymerer. Mycket arbete har därför lagts ned på att minska produktionskostnaderna genom att utveckla bättre bakteriestammar, men nyligen har ett potentiellt mer ekonomiskt och miljövänligt alternativ dykt upp, nämligen modifiering av växter för att syntetisera PHAs. En liten mängd PHB framställdes

först producerades i Arabidopsisthaliana efter introduktion av R. eutropha-gener som kodar för två enzymer som är viktiga för omvandlingen av acetyl-CoA till PHB (Poirier et al., 1992). Monsanto (St Louis, MO, USA) förbättrade sedan denna process 1999. Även om denna nya våg av polymerer har en enorm potential är tidpunkten för dess utveckling osäker. Efter den inledande entusiasmen övergav Monsanto och AstraZeneca (London, Storbritannien) dessa projekt av kostnadsskäl. ”Att producera biopolymerer från växter är en lovande och fascinerande vetenskaplig utmaning”, säger Yves Poirier från laboratoriet för växtbioteknik vid ekologiska institutet vid universitetet i Lausanne, Schweiz. Han tror att företagen är ovilliga att driva dessa projekt eftersom de kräver långsiktiga investeringar som inte passar företagens ekonomiska och tidsmässiga planer. ”Ytterligare genetiska modifieringar måste införas i växterna för att de ska kunna förbättras, säger han, och när dessa växter väl har skapats kommer de att kräva särskilda skörde- och behandlingsprotokoll i förhållande till vanliga växter. Allt detta innebär stora investeringar i ny infrastruktur och nya behandlingssystem och en avsevärd tidsåtgång.” Åtta till tio år är hans grova uppskattning av hur lång tid det kommer att ta innan växtproducerade PHAs kan bli ekonomiskt lönsamma.

Planerna på att tillverka en T-shirt av majssocker har hamnat i samma återvändsgränd. Dupont (Wilmington, DE, USA), företaget som uppfann nylon, har i flera år utvecklat en polymer baserad på 1,3-propandiol (PDO) med nya nivåer av prestanda, elasticitet och mjukhet. Duponts polymeriseringsanläggning i Decatur, Illinois (USA) har nu lyckats framställa PDO från majssocker, en förnybar resurs, vilket ger en miljövänlig dimension till produktionen. Men även om deras majsbaserade polymer, kallad Sorona®, är mer miljövänlig och har förbättrade egenskaper är det återigen upp till marknaderna att göra den till en framgång. ”Företaget planerar en effektiv övergång från den petroleumbaserade produktionen till den biobaserade”, säger Ian Hudson, Sorona® Business Director på Dupont, ”men detta kommer att ske om den ekonomiska processen och marknadens krav motiverar övergången.”

Cargill Dow (Minnetonka, MN, USA) har gått ett steg längre. Företaget har utvecklat en innovativ biopolymer, NatureWorks™, som kan användas för att tillverka produkter som kläder, förpackningar och kontorsmöbler. Polymeren framställs av mjölksyra, som erhålls genom jäsning av majssocker. Den har redan introducerats på marknaden på ett effektivt sätt och har nyligen dykt upp i amerikanska livsmedelsbutiker som en behållare för ekologisk mat.

En annan produkt som skulle kunna dra stor nytta av innovativ bioteknik är papper. En stor del av de kostnader och betydande föroreningar som är förknippade med papperstillverkningsprocessen orsakas av ”kraftning”, en metod för att avlägsna lignin från träsubstratet. Lignin är den näst vanligaste polymeren i naturen efter cellulosa och ger växter strukturell stabilitet. Med tanke på de betydande ekonomiska fördelar som kan uppnås har många forskningsinsatser gjorts för att minska mängden lignin eller ändra ligninstrukturen i träd, samtidigt som deras tillväxt och strukturella integritet bevaras. Genetiskt modifierade träd med dessa egenskaper finns redan (Hu et al., 1999; Chabannes et al., 2001; Li et al., 2003), men det är inte troligt att man kommer att tjäna pengar på dem inom den närmaste tiden. Även om pappersindustrin skulle kunna göra avsevärda vinster genom att minska produktionskostnaderna har inga stora projekt i denna riktning ännu genomförts. Alain Boudet, professor vid Centre for Vegetable Biotechnology vid universitetet Paul Sabatier (Castanet-Tolosan, Frankrike), har identifierat två stora hinder för kommersialiseringen av transgen trä. ”För det första behöver träd med förändrat lignin fler tester av deras faktiska prestanda på fältet utanför laboratoriet innan de kan användas allmänt”, förklarade han. ”För det andra, och med mycket större svårigheter, kommer det att bli nödvändigt att erövra allmänhetens acceptans för ännu nya transgena organismer och för distributionen av produkter som härrör från dem.”

Vita biotekniken koncentrerar sig också på produktion av energi från förnybara resurser och biomassor. Stärkelse från majs, potatis, sockerrör och vete används redan för att producera etanol som ersättning för bensin – Henry Fords första bil kördes på etanol. I dag är en del av de motorbränslen som säljs i Brasilien ren etanol som härrör från sockerrör, och resten har en 20-procentig etanolhalt. I USA är 10 % av allt motorbränsle som säljs en blandning av 90 % bensin och 10 % etanol. Enligt Organisationen för ekonomiskt samarbete och utvecklings rapport från 2001 om bioteknik och industriell hållbarhet har USA nu 58 bränslefabriker som producerar nästan 6 miljarder liter etanol per år.

Men att omvandla stärkelse till etanol är varken den mest miljövänliga eller ekonomiskt effektiva metoden, eftersom odling av växter för etanolproduktion kräver användning av herbicider, bekämpningsmedel, gödningsmedel, bevattning och maskiner. Företag som Novozymes (Bagsvaerd, Danmark), Genencor (PaloAlto, CA, USA) och Maxygen (Redwood City, CA, USA) utforskar därför möjligheter att framställa etanol specifikt från celluloidmaterial i trä, gräs och, vilket är mer attraktivt, jordbruksavfall. En stor del av deras arbete är inriktat på att utveckla effektivare bakteriella cellulaser som kan bryta ner jordbruksavfall till enkla sockerarter för att skapa ett rikligare och billigare rå substrat för etanolproduktion.

Hoppfulla visionärer har redan börjat tala om att en ”kolhydratekonomi” skall ersätta den gamla ”kolväteekonomin”. Att göra biomassa till en effektiv råvara är dock ingen billig process”, påminner Kirsten Stær, Director of Stakeholder Communications på Novozymes. För att få igång produktionen av biobränsle på kommersiell basis, vid sidan av utvecklingen av nya system för insamling av råvaror och skapandet av särskilda produktionsanläggningar, kommer det att krävas en annan prissättning av biobränsle, kommenterade hon. ”Prisstrukturen för fossila bränslen fastställs på marknaden genom regelverk. Om biobränsleproduktionen ska bli framgångsrik kommer det att bli nödvändigt att genomföra en politik som inför subventioner till bioetanolproduktion eller skatt på produktion av fossila bränslen”, sade Stær.

Detta har inte hindrat J. Craig Venter från att grunda Institute for Biological Energy Alternatives (IBEA) i Rockville, Maryland (USA) förra året för att förespråka produktion av renare energiformer. IBEA fick nyligen ett bidrag på 3 miljoner dollar från det amerikanska energidepartementet, främst för att konstruera en konstgjord mikroorganism för att producera vätgas. Utan de gener för sockerbildning som normalt använder vätejoner skulle denna organism kunna ägna all sin energi åt att producera överskottsväte och i idealfallet bli en syntetisk energiproducent.

Vit bioteknik kan också vara till nytta för medicin och jordbruk. Vitamin B2 (riboflavin), till exempel, används i stor utsträckning i djurfoder, livsmedel och kosmetika

och har traditionellt sett tillverkats i en kemisk process i sex steg. På BASF (Ludwigshafen, Tyskland) tillverkas nu mer än 1 000 ton B2-vitamin per år i en enda jäsning. Genom att använda svampen Ashbya gossypii som biokatalysator uppnådde BASF en total minskning av kostnaderna och miljöpåverkan med 40 %. På samma sätt produceras cephalexin, ett antibiotikum som är verksamt mot gramnegativa bakterier och som normalt produceras genom en långvarig kemisk syntes i tio steg, nu genom en kortare fermentationsbaserad process hos DSM Life Sciences Products (Heerlen, Nederländerna). Vitamin B2 är dock bara en enda framgångshistoria – andraervitaminer och läkemedel är fortfarande billigare att framställa med klassisk organisk kemi än med innovativ vit bioteknik.

De potentiella miljöfördelarna med att övergå till biofodringsråvaror och bioprocesser är dock avsevärda, anser Wolfgang Jenseit från Institutet för tillämpad ekologi (Freiburg, Tyskland). ”De nya bioproduktionsprocesserna ersätter komplexa kemiska reaktioner. Detta leder naturligtvis till betydande energi- och vattenbesparingar”, förklarar han. Det gynnar också atmosfären: det kol som behövs för att framställa bioetanol från biomassa har växterna bundet från atmosfären, och att återföra det genom att bränna etanol bidrar inte till den globala uppvärmningen, påpekade Jenseit. Detta är definitivt goda nyheter för de länder som har åtagit sig att begränsa utsläppen av växthusgaser genom att ratificera Kyotoavtalet.

Och de ekonomiska fördelarna väntas följa med. Enligt det globala konsultföretaget McKinsey & Company kommer vit bioteknik att uppta upp till 10-20 % av hela kemimarknaden 2010, med en årlig tillväxt på 11-22 miljarder euro. Det finns dock stora skillnader i hur vit bioteknik hanteras i Europa och USA, säger Jens Riese, en Frankfurtsbaserad Principal Associate på McKinsey & Company. ”För det första är den totala summan som investeras i USA i vit bioteknik 250 miljoner dollar, en summa som vida överstiger den totala europeiska investeringen”, sade han. ”Sannolikt drivet av en starkare geopolitisk vilja att bli oberoende av import av fossila bränslen har USA visat en större benägenhet att utveckla sådan teknik. Europa, å andra sidan, är kulturellt sett mer försiktigt och mindre äventyrligt när det gäller att acceptera innovativa metoder.”

Men vit bioteknik har väckt intresse i Europa. ”Det finns en medvetenhet om behovet av innovation i denna riktning”, säger Oliver Wolf, vetenskapsman vid Institute for Prospective Technological Studies i Sevilla, Spanien. ”Även om det ännu inte finns någon särskild lagstiftning, tas viktiga steg för att främja vitbioteknik i Europa.” Vit bioteknik har potentiellt stora fördelar, både ekonomiskt och miljömässigt, för ett brett spektrum av tillämpningar. Vägen för dess utveckling håller på att banas, men det är fortfarande en relativt ung teknik som måste konkurrera med en mogen oljebaserad kemisk industri som har haft nästan ett sekel på sig att optimera sina metoder och produktionsprocesser. Den växande oron för miljön och möjligheten till billigare olja i framtiden gör dock den vita biotekniken till en seriös utmanare.