Diatomee e cianobatteri sono il futuro prossimo per le energie alternative

L’uso dei combustibili fossili, pur con le sfide alla sicurezza ambientali ed economiche che essa pone, resta la fonte principale di energia negli Stati Uniti. Ma l’attuale quota dell’80 per cento della fornitura di energia potrebbe diminuire in appena cinque anni. Scripps Institution of Oceanography e UC San Diego assumono sempre di più un ruolo guida nello sviluppo di una fonte di energia, cioè quello che ha il potenziale per essere sia più economica e più pulita dei combustibili fossili: il biocarburante alghe.

Un nuovo rapporto pubblicato dal dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti classifica programmi di ricerca per utilizzare come biocarburanti le alghe l’UC San Diego come i due migliori del paese. Un programma presso la Scripps Institution of Oceanography è stato valutato il migliore della nazione. Mark Hildebrand e il suo team della divisione ricerca di Biologia Marina presso la Scripps Institution of Oceanography hanno ricevuto quest'alto onore tra i 28 gruppi tecnologici che lavorano sulle alghe per i criteri che includevano il progresso tecnico, la pertinenza del progetto, e le potenziali applicazioni commerciali. Il rapporto cita in particolare il laboratorio "di ricerca in sospeso" nella manipolazione genetica delle alghe per migliorare la resa dei componenti chiave per la produzione di biocarburanti. Un altro gruppo l’UC San Diego di ricerca, il Consorzio UC San Diego per la commercializzazione delle alghe come biocarburanti (CAB-Comm), guidato dal biologo molecolare UC San Diego Stephen Mayfield, è stato riconosciuto dal DOE come il numero due in classifica, in tutti i programmi di questa ricerca mirata.

Come biologi marini, Hildebrand e il suo team hanno una prospettiva unica sulla produzione di alghe come biocarburanti. La maggior parte degli scienziati in via di sviluppo sui biocarburanti da alghe, usano le alghe verdi che si trovano in sistemi di acqua dolce come laghi e stagni, ma il gruppo di Hildebrand ha scoperto che le diatomee, tra le alghe oceaniche più diffuse, sono adatte unicamente per la produzione di biocarburanti. In particolare, le diatomee sono un buon sistema per scienziati come Hildebrand che sperano di usare strumenti genetici per perfezionare la produzione di alghe come biocarburanti.

"La gente a volte non apprezzano le differenze tra le diverse classi di alghe, -ha affermato Hildebrand- e tendono a pensare a loro come un unico gruppo. Ma c'è un miliardo di anni di evoluzione distinta tra le diatomee e alghe verdi e, si scopre, che le

diatomee sono facili da manipolare geneticamente. "

Il laboratorio di Hildebrand sta usando strumenti genetici per controllare ciò che accade all'interno della parete cellulare. Stanno sviluppando manipolazioni genetiche per massimizzare la produzione dei lipidi della diatomea, i grassi che sono utilizzati per produrre biocarburanti. Questa è una delle sfide più importanti per le alghe utilizzate per la produzione di biocarburanti, perché in un ambiente naturale le alghe useranno energia per produrre carboidrati e crescere, e accumulano lipidi solo quando non crescono.

"In realtà è molto simile agli esseri umani, -ha detto Hildebrand-, si carica di carboidrati, se si va per una corsa, e quei carboidrati si trasformeranno solo in grasso se invece di correre si deve solo sedersi ."

I biologi come Hildebrand vogliono trovare il modo di barare sui procedimenti naturali, e ottenere le alghe che crescano e accumulino lipidi allo stesso tempo. Emily Trentacoste, studente di Hildebrand e William Gerwick, di recente è stato in grado di "spegnere" un enzima nelle diatomee che rompe i lipidi per l'energia. Con questo meccanismo essendo disabilitata la ripartizione, le alghe hanno accumulato più lipidi senza rallentare la loro crescita.

Oltre alla relativa facilità con cui i loro geni possono essere cambiati, ci sono altri vantaggi a lavorare con diatomee. Uno dei principali vantaggi, particolarmente rilevante in California colpita dalla siccità , è che le diatomee possono essere coltivate in acqua di mare, in modo da non appesantire la fornitura di acqua dolce dello Stato. Inoltre, altre ricerche indicano che le diatomee sono in grado di produrre almeno quanto, se non di più, i lipidi, nei confronti delle alghe verdi. Ma le diatomee non sono l'unica classe di alghe che mostrano potenziale per il futuro dell'energia, e molti altri laboratori stanno mostrando risultati promettenti con differenti organismi. La maggior parte di un possibile sviluppo incoraggiante è avvenuto con altri organismi, tra cui alghe verdi e cianobatteri, ad opera dei colleghi di Hildebrand presso UC San Diego.  " Questa è una delle prospettive interessanti , -ha affermato Hildebrand - ci sono persone che lavorano in diverse classi di alghe, tutte in prima linea dei loro rispettivi campi d’indagine". CAB-Comm è uno di questi gruppi. Partner IT con i collaboratori del settore Sapphire Energy e Life Technologies, si concentrano su alghe verdi e cianobatteri, ed è stato citato dal DOE per "dimostrare come il potenziale di rendimento delle alghe può essere preservata da parassiti che riescono a controllare attraverso lo sviluppo di ceppi resistenti, uso di pesticidi chimici, e la coltivazione dei consorzi di ceppi ".CAB-Comm è stata formata da UC San Diego e Scripps scienziati che erano originariamente parte di un'organizzazione chiamata Centro di San Diego per Algae Biotechnology (SD-CAB), ora evoluto in Centro della California per Algae Biotechnology (Cal-CAB). Quest'anno, i ricercatori Cal-CAB guidati da Cameron Coates, impegnato in un dottorato di ricerca, studente del gruppo Gerwick a Scripps, ha pubblicato un altro importante risultato nel campo delle biotecnologie riferite alle alghe. Coates studia cianobatteri, uno dei pochi organismi noti per produrre direttamente idrocarburi. La maggior parte delle altre alghe producono lipidi, che possono poi essere convertiti ad alimentare la combustione, ma cianobatteri producono direttamente idrocarburi di così alta densità che possono essere utilizzati come carburante. Coates ha stabilito che tutti i cianobatteri producono idrocarburi, ma solo in piccole quantità e che alcuni cianobatteri producono idrocarburi attraverso un percorso unico. Queste intuizioni hanno aperto la porta a nuove ricerche nel massimizzare il loro potenziale di produzione di combustibile, e all'individuazione di obiettivi da utilizzare per la produzione di materie plastiche sostenibili e prodotti chimici." Come studente laureato presso Scripps, sono stato davvero soddisfatto con l'opportunità di lavorare con scienziati di alto livello e studenti; le risorse e le opportunità di crescita intellettuale sono stati eccellenti , -ha detto Coates -, e nel programma CAB-Comm c'è uno spirito di ricerca collaborativa e  condivisione delle risorse ".

L'industria alghe per  biocarburanti è cresciuta significativamente dal CAB-Comm è stata fondata nel 2008 (allora si chiamava Centro di San Diego per le alghe Biotecnologie, SD-CAB), espandendo da scientifico a interessi commerciali. Il suo sviluppo è spinto in parte dal desiderio di eliminare la dipendenza americana dal petrolio straniero, ma l'altra motivazione a sviluppare le alghe come biocarburante è che hanno il potenziale di ridurre le emissioni di anidride carbonica a metà , perché le alghe sequestrano il carbonio man mano che crescono e parzialmente compensano il carbonio rilasciato quando il biocarburante è bruciato. Il costo è il fattore principale che  tiene indietro le alghe come biocarburante: ora è da due a tre volte più costoso rispetto ai combustibili fossili, anche se sono prodotti da operazioni più grandi ed efficienti. Ci sono alcune indicazioni che le alghe per biocarburanti saranno a costi competitivi  nei confronti  dei combustibili fossili entro cinque anni, ma gli investimenti nella produzione su larga scala non sono preventivabili fino ad allora. Il recente boom nella produzione di gas naturale dell'America, cosi com’è stato abilitato dal fracking potrebbe frenare ulteriormente l'interesse degli investitori e rallentare lo sviluppo dei biocarburanti dalle alghe. Anche se può richiedere tempo, Hildebrand ei suoi colleghi sono convinti che i biocarburanti  prodotti dalle alghe saranno parte importante del nostro futuro energetico. I biocarburanti, come combustibile liquido, hanno importanti vantaggi rispetto ad altre energie alternative come l'eolico e il solare; possono essere facilmente memorizzati e integrati nell'infrastruttura corrente e mezzi di trasporto come l'aviazione che richiedono alta densità  nei combustibili liquidi. Questo è il motivo per cui l’United States Air Force, l' US Navy e costruttori di aeromobili commerciali, come Boeing, hanno finanziato n modo robusto la ricerca di alghe biocarburanti. Scripps ha in programma di iniziare le prove con il 100 per cento di carburante diesel rinnovabile; navi da ricerca partiranno con Robert Gordon Sproul nel 2014. Bruce Appelgate, associate director Scripps, ha detto che l'obiettivo è di contribuire allo sviluppo di un flusso di alimentazione integrata verticalmente locale, con alghe i biocarburanti prodotti a San Diego e consumati dalle stesse navi di ricerca Scripps. Oltre al vantaggio di essere rinnovabili e quasi carbon-neutral , -ha detto Appelgate- i risultati biodiesel rinnovabili in emissioni più pulite, migliorando così la qualità dell'aria rispetto ai carburanti derivati ​​dal petrolio”.

Se i biocarburanti prodotti dalle alghe diventeranno un settore importante, i contributi di scienziati della UC San Diego e Scripps avranno giocato un ruolo importante. Hildebrand crede che gran parte del successo del suo programma di ricerca per i suoi studenti e dottori di ricerca. "La qualità di studenti e dottori di ricerca che vengono a Scripps è eccezionale. E 'raro che gli studenti non vengono qui per vivacchiare. Non solo brillano, "ha detto- hanno un livello di dedizione che non è possibile trovare altrove." Hildebrand  e il fondatore di CAB-Comm, Scripps il biologo Greg Mitchell, hanno espresso la speranza che le alte classifiche del rapporto DOE aiuteranno ad assicurare futuri finanziamenti per le loro ricerche. Hildebrand ha detto che con un finanziamento permanente nel corso degli ultimi anni ha aiutato a impiegare post-doc e studenti per periodi di tempo più lunghi, e costruire buone competenze in laboratorio. "Crediamo che dovrebbe esserci continui investimenti nelle alghe come biocarburanti,- ha detto Mitchell- ,perché è l'unico biocarburante che può essere prodotto a livello mondiale e risolvere molti problemi per la sostenibilità e la sicurezza energetica."

Mallory Pickett studente di un master nel laboratorio di oceanografia chimica, Andreas Andersson presso la Scripps Institution of Oceanography, UC San Diego  sono attivamente impegnati in questi progetti.