À la recherche du bon endroit pour les biocarburants

L'autoroute Anhangüera à quatre voies mène au nord-ouest de la capitale financière du Brésil, São Paulo, vers certaines des terres agricoles les plus productives au monde. La vue depuis la vitre d'une voiture révèle des plantations d'eucalyptus velus et des pâturages de vaches regorgeant de termitières. Des champs de canne à sucre roulent à perte de vue sur les collines.

Tournez à droite au kilomètre 104,5 et vous entrez dans Techno Park, un quartier de recherche d'entreprise bien rangé qui semble avoir été arraché à la banlieue californienne. Et d'une certaine manière, c'est le cas. Dans un bâtiment non loin de l'entrée se trouvent des rangées de postes de travail soigneusement organisés, des cuves de fermentation brillantes et des centrifugeuses cliquetantes. Toutes ces machines sont une réplique presque exacte de l'équipement d'une installation à Emeryville, en Californie. Même les porte-manteaux sont les mêmes.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2010

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Le bâtiment est l'avant-poste brésilien d'Amyris Biotechnologies, une entreprise de recherche américaine célébrée pour son travail grâce à une subvention de la Fondation Bill et Melinda Gates visant à rendre plus largement disponible un médicament contre le paludisme rare. Son fondateur, Jay Keasling, est considéré comme un pionnier de la biologie synthétique, et le projet de lutte contre le paludisme, qui pourrait sauver des milliers de vies, a été présenté dans le New Yorker. En mai dernier, Keasling a reçu le premier prix humanitaire en biotechnologie de la Biotechnology Industry Organization.

Moins bien médiatisé, c'est qu'Amyris a levé plus de 170 millions de dollars en capital-risque pour se lancer dans le secteur des biocarburants et que ses plans actuels prévoient de produire presque tout ce carburant au Brésil. Roel Collier, un Belge parlant couramment le portugais qui dirige les opérations d'Amyris au Brésil, pointe du doigt un réservoir en acier de 12 mètres de haut dans lequel la levure génétiquement modifiée se régale du jus de la canne à sucre qui est si abondant dans ce pays. À l'intérieur se trouve une technologie américaine de pointe appliquée à l'avantage concurrentiel du Brésil, explique-t-il.

Au cours des deux dernières années, les responsabilités de Collier ont inclus l'expédition de fûts de jus de canne à sucre brésilien congelé au laboratoire californien d'Amyris, à quelque 10 000 kilomètres. Là-bas, les scientifiques ont recâblé génétiquement des cellules de levure ordinaires pour digérer le caldo de cana, comme on appelle le jus, et le transformer en farnesène, une huile parfumée qui, selon Amyris, peut être convertie en carburant diesel. Dans le domaine en évolution rapide de la biologie synthétique, une discipline qui cherche à réécrire l'ADN des microorganismes comme s'il s'agissait d'un code informatique, les laboratoires californiens d'Amyris sont considérés comme à la pointe de la technologie. Les chercheurs créent et testent des dizaines de milliers de souches de levure modifiées chaque semaine. L'entreprise emploie presque autant de généticiens de levure titulaires d'un doctorat que toutes les universités du Brésil.

Matières premières : Une plantation de canne à sucre près de la ville de Campinas. Chaque acre produit suffisamment de jus de canne à sucre pour produire 3 000 litres d'éthanol.

Mais le Brésil offre à Amyris un avantage essentiel sur les États-Unis : les conditions économiques là-bas se prêtent à l'exploitation commerciale de la technologie. Le Brésil est le producteur de sucre le plus efficace au monde. D'énormes monticules s'accumulent dans les 420 raffineries de canne à sucre du pays. Avec son climat tropical et sa culture commerciale agressive, le pays domine le commerce mondial du sucre. Et d'énormes réserves de sucre bon marché sont la clé pour rendre la technologie d'Amyris pratique.

La raison d'aller au Brésil était assez claire ; c'est la source de sucre la moins chère et la plus facilement disponible pour alimenter la plate-forme technologique, déclare Keasling, professeur de génie biochimique à l'Université de Californie à Berkeley, qui dirige également le Joint BioEnergy Institute, un effort de 135 millions de dollars financé par le département américain de la Énergie pour extraire les sucres des copeaux de bois, de l'herbe et d'autres matières végétales bon marché. Dans 10 à 15 ans, ses travaux pourraient rendre les molécules de sucre aussi bon marché à obtenir aux États-Unis qu'elles le sont actuellement au Brésil. Pour l'instant, cependant, l'industrie américaine des biocarburants continue de produire de l'éthanol en faisant fermenter le glucose contenu dans les grains de maïs. Et le maïs est une source de sucre relativement coûteuse, comme l'industrie américaine de l'éthanol l'a découvert à son grand désarroi. Malgré les subventions des contribuables, les fabricants américains n'ont pas été en mesure de générer des bénéfices constants.

L'histoire est différente au Brésil, où les usines de canne à sucre produisent de l'éthanol bon marché depuis que le gouvernement a lancé une campagne pour l'indépendance en matière de carburant dans les années 1970. Le parc automobile du pays consomme désormais plus d'éthanol que d'essence. Près de 90 pour cent des voitures fabriquées au Brésil peuvent fonctionner au biocarburant. L'industrie a compris que la géographie est le destin, déclare Mark Bunger, directeur de recherche chez Lux Research, une entreprise new-yorkaise qui étudie la commercialisation des technologies émergentes. De l'avis de Bunger, seuls quelques endroits sur la planète ont la pluie, le soleil et la masse terrestre nécessaires pour fabriquer des biocarburants à l'échelle et au prix qui peuvent avoir un impact réel. La compréhension à laquelle nous arrivons est que cela n'arrivera jamais à certains endroits, dit-il, et le Brésil est le premier endroit où l'économie a du sens.

Amyris est parvenu à une conclusion similaire il y a environ trois ans, d'où ses laboratoires de fermentation identiques à Emeryville et au Brésil. Des scientifiques californiens bricolent avec de la levure pour la faire convertir plus rapidement le sucre en farnésène ; puis les insectes sont envoyés par avion vers le sud pour être testés dans des conditions tropicales. Cette année, Amyris prévoit de commencer la construction d'un complexe de fermentation imposant dans l'État brésilien de Goiás. Quand ce sera fait, il devrait être capable de produire 100 millions de litres de

diesel vert chaque année.

Comme l'éthanol, le carburant d'Amyris sera fabriqué par fermentation de sucre. Mais les scientifiques de l'entreprise ont repensé la levure afin que les microbes la transforment en hydrocarbures combustibles au lieu d'alcool. Cela signifie que la concurrence pour son carburant vert n'est pas l'éthanol mais le diesel à base de pétrole et aussi les biodiesels à base d'huile végétale ou de graisse animale. Amyris affirme que son carburant présente un certain nombre d'avantages par rapport aux deux. Contrairement aux combustibles fossiles, il est fabriqué à partir d'une source renouvelable. Il produit également moins de gaz à effet de serre dans l'atmosphère : la société calcule que son diesel de fabrication brésilienne émettra environ 80 % de gaz à effet de serre en moins que le diesel conventionnel. Et comparé à d'autres biodiesels, son carburant à base de sucre sera moins cher à fabriquer et permettra aux moteurs qui l'utilisent de mieux fonctionner. Le PDG d'Amyris, un ancien dirigeant pétrolier du nom de John Melo, a négocié avec des entreprises à la recherche d'un carburant vert, notamment Federal Express, Virgin Atlantic et General Electric.

Usine de levure : Sur le site de démonstration d'Amyris au Brésil, les hydrocarbures sont produits dans une tour de fermentation.

Pour de nombreux biologistes synthétiques, le diesel n'est qu'un début. Ils croient qu'en principe, ils peuvent créer des micro-organismes pour produire des remplacements pour n'importe quel produit pétrolier. Mais il y a des risques énormes. Les souches de levure d'Amyris se sont révélées étonnamment vulnérables. Et comme pour d'autres processus biotechnologiques qui dépendent de microorganismes vivants, personne ne peut dire si la production de diesel vert peut être augmentée économiquement à partir des lots de 1 000 litres produits aujourd'hui. Toutes les prévisions sont basées sur des efficacités d'échelle pour des processus qui n'ont jamais été exécutés à ces échelles, explique Noubar Afeyan, PDG de Flagship Ventures à Cambridge, MA, et cofondateur de LS9, une startup concurrente de biologie synthétique. Un défi majeur est qu'il faut des centaines de millions de dollars pour le prouver, même à moyenne échelle.

Il y a neuf ans, la technologie d'Amyris était encore un projet de banc dans le laboratoire de Keasling à Berkeley. Les chercheurs avaient cherché des moyens d'amadouer les micro-organismes pour produire des produits commercialement utiles. En ajoutant de l'ADN de plantes et de bactéries, le laboratoire de Keasling a finalement conçu de nouvelles bactéries et cellules de levure qui pourraient produire de grandes quantités d'isopentényl pyrophosphate. Avec ses cinq atomes de carbone, le produit chimique est une sorte de bloc Lego du monde naturel ; à partir de celui-ci, les plantes et les animaux fabriquent des isoprénoïdes, membres d'une grande classe de molécules qui comprend le taxol, un médicament anticancéreux, la vitamine E et des parfums tels que ceux du pamplemousse et les phéromones des blattes femelles.

Keasling savait que l'invention était précieuse et, en 2001, il a déposé la première demande de brevet de sa carrière. Nous voulions appliquer les outils à un vrai problème, dit-il. L'occasion s'est présentée en 2004, lorsque la Fondation Bill et Melinda Gates a décidé de faire un don de 42,6 millions de dollars à un projet qui fabriquerait l'artémisinine, un médicament antipaludique, à l'aide des microbes fabriqués sur commande de Keasling.

L'artémisinine est actuellement dérivée de la plante d'absinthe douce, cultivée principalement en Afrique et en Asie. L'offre du médicament est instable et les prix fluctuent énormément ; ils ont atteint 1 100 $ le kilo en 2006. En utilisant de la levure génétiquement modifiée pour la produire à partir de sucre, l'approche de Keasling promettait de résoudre le problème d'approvisionnement et de réduire considérablement le prix. Avec sa chance de sauver des milliers, voire des millions, de personnes qui pourraient autrement mourir du paludisme, le projet est devenu un symbole du potentiel de la biologie synthétique à changer le monde pour le mieux. L'argent Gates a payé l'expansion rapide d'Amyris, que Keasling et trois de ses post-doctorants ont fondée pour mener à bien le projet de lutte contre le paludisme. Fin 2005, selon le directeur technique d'Amyris, Neil Renninger, certains membres de l'entreprise passaient des nuits et des week-ends à réfléchir aux autres problèmes que leur technologie pourrait résoudre.

À l'intérieur d'un fermenteur, la levure génétiquement modifiée métabolise le sucre et produit du farnésène, une huile d'hydrocarbure parfumée.

Amyris estime que la famille des isoprénoïdes comprend quelque 50 000 types de molécules différents, il était donc loin d'être clair sur quoi se concentrer ensuite. Lorsque nous avons commencé à présenter les VC, nous avons dit qu'il y avait des médicaments que nous pensons intéressants, des nutraceutiques et même des carburants. Qu'en pensez-vous ? se souvient Renninger. Mais il était difficile de trouver un projet aussi significatif pour les scientifiques d'Amyris que le paludisme. C'était vraiment une culture de gens qui veulent sauver des vies et ne pas gagner beaucoup d'argent, dit-il. Donc, quand vous leur lancez la fabrication d'arômes de pamplemousse, ce n'est pas trop intéressant.

Les choses ont commencé à changer à la mi-2006, lorsque deux des sociétés de capital-risque les plus connues de la Silicon Valley, Kleiner Perkins Caufield and Byers et le spécialiste des énergies vertes Khosla Ventures, ont proposé d'investir 20 millions de dollars dans l'entreprise. Le Congrès américain avait adopté des mandats sur les carburants renouvelables en 2005, déclenchant une vague d'investissements spéculatifs dans toutes sortes de biocarburants. Geoffrey Duyk, directeur général de TPG Biotech, qui a également investi de l'argent dans l'entreprise, rappelle qu'une fois qu'Amyris a accepté les fonds, les investisseurs sont venus et se sont concentrés sur les carburants.

Les investisseurs ont commencé à courtiser Melo, alors directeur des activités de carburants de British Petroleum en Amérique du Nord, pour qu'il devienne le PDG d'Amyris. Melo dirigeait ce qu'il appelle une belle petite entreprise impliquant d'énormes flottes de camions et des dizaines de terminaux, générant 34 milliards de dollars de revenus. Lorsqu'un recruteur l'a appelé pour la première fois au sujet d'une entreprise de biotechnologie avec un projet de lutte contre le paludisme, se souvient-il, ma réaction a été : « Vous devez plaisanter ». Je suis un gars des carburants,

alors qu'est-ce que ça m'importe ?

Alors qu'il en apprenait davantage sur la biologie synthétique et rencontrait le personnel scientifique d'Amyris, Melo a changé d'avis. Les carburants sont la plus grande de toutes les entreprises en termes de chiffre d'affaires, mais en pourcentage des bénéfices, les compagnies pétrolières ne dépensent que des sommes infimes en R&D et presque rien en recherche fondamentale. Melo a décidé que son ancienne industrie était mûre pour le changement. La capacité de modifier les microbes [signifie] que nous pouvons être le Microsoft des carburants et des produits chimiques, où nous écrivons en fait le logiciel qui entre dans la cuve de fermentation, dit-il. Cela, pour moi, a changé la donne. Melo a demandé à l'entreprise de travailler sur le diesel, le carburant de transport le plus utilisé au monde et qui fait souvent défaut. Produire le bon type de molécule s'est avéré étonnamment facile. En six semaines, les scientifiques avaient changé une seule enzyme dans leurs insectes producteurs d'artémisinine et commencé à produire du farnésène, l'huile qu'ils avaient identifiée comme un précurseur potentiel du diesel.

Ils ressemblent à des projets très différents - l'un est un médicament et l'autre est un carburant - mais la voie métabolique est similaire, dit Collier. C'était la grande avancée d'Amyris. Le farnésène est une huile à l'odeur agréable qui explique en partie l'odeur de la peau des pommes. En effectuant une étape chimique supplémentaire, l'hydrogénation, Amyris peut transformer le farnésène produit par la levure en farnésane, un carburant hautement combustible aux propriétés similaires à celles du diesel.

L'efficacité des souches de levure est testée.

En tant qu'hydrocarbure comme le diesel et l'essence, le farnésane ne sera pas soumis aux problèmes qui ont affecté les autres biocarburants, fait le pari d'Amyris. L'éthanol, par exemple, peut se mélanger à l'eau, ce qui peut causer des problèmes lorsque l'eau pénètre dans les canalisations d'essence. Les biodiesels d'origine végétale, quant à eux, contiennent des impuretés et peuvent obstruer les moteurs à basse température. Farnesane, d'autre part, peut être simplement déposé dans le réseau de distribution de carburant existant. Il a même un avantage par rapport au diesel ordinaire : il ne contient pas de soufre polluant.

Mais le projet n'aura d'impact que s'il peut être déployé à grande échelle. Et personne ne sait encore si la biologie synthétique fonctionnera bien à de telles échelles. Synthetic Genomics, une entreprise fondée par le pionnier du séquençage génétique J. Craig Venter, a conclu l'année dernière un accord de 300 millions de dollars avec ExxonMobil pour développer des algues productrices de carburant. Pourtant, le vice-président d'Exxon pour la recherche et le développement, Emil Jacobs, a déclaré au New York Times qu'il ne voulait pas édulcorer les chances du projet. Pour les carburants de transport, si vous ne pouvez pas voir si vous pouvez développer une technologie, alors vous devez vous demander si vous devez être impliqué du tout, a-t-il déclaré.

La capacité de fabriquer des carburants en quantités étonnantes n'est pas la seule chose nécessaire pour qu'ils deviennent une option réaliste. Ce sont aussi des marchandises qui sont vendues à des prix défiant toute concurrence. Le produit de l'industrie pétrolière, litre pour litre, coûte la moitié du prix du Coca-Cola. Où allaient être les principaux coûts du processus de production d'Amyris ? Si les moyennes de l'industrie de l'éthanol étaient vraies, le sucre dont se nourrit la levure représenterait plus de la moitié du prix final de fabrication du farnésane.

Ces calculs faisaient partie de ce qui a conduit Melo à planter fermement le drapeau au Brésil, rappelle l'investisseur Duyk. Le maïs américain, bien qu'à portée de main, aurait été un mauvais pari. En 2007, l'essor de la production d'éthanol aux États-Unis avait fait monter les prix du maïs si haut que des dizaines de milliers de Mexicains ont manifesté contre le coût des tortillas. Lorsque les prix du pétrole ont chuté en 2008 et que les prix du maïs sont restés à des niveaux record, de nombreux fabricants américains d'éthanol ne pouvaient plus réaliser de bénéfices.

Un travailleur tient des bouteilles du produit final d'Amyris, le carburant diesel.

L'échelle, le coût et la concurrence avec les approvisionnements alimentaires ne sont pas les seuls problèmes pour les biocarburants. Amyris voulait commercialiser son diesel comme étant bon pour l'environnement ; ses brochures affirment que ses carburants sans compromis libéreront 80 pour cent moins de dioxyde de carbone dans l'atmosphère que les carburants fossiles. Aujourd'hui, la canne à sucre brésilienne est la seule culture qui peut éventuellement soutenir le marketing vert d'Amyris. Des études brésiliennes indiquent que l'éthanol de canne à sucre produit environ 7 à 10 fois plus d'énergie qu'il n'en faut pour produire le carburant ; en revanche, l'éthanol fabriqué à partir de maïs donne un peu plus que sa production n'en consomme. Alors que l'impact environnemental de la culture de la canne à sucre reste contesté, il est clair que le processus nécessite moins d'énergie que la culture du maïs. De plus, les producteurs de biocarburants du Brésil sont plus efficaces que ceux d'autres pays, en partie parce que de nombreuses usines brésiliennes brûlent des déchets de canne à sucre pour alimenter leurs broyeurs et distillateurs, réduisant ainsi l'utilisation de combustibles fossiles.

En tant que marché, le Brésil peut également apporter d'autres avantages. La demande du pays en diesel est élevée, donc Amyris pourrait construire une entreprise respectable sans jamais exporter une goutte. Le Brésil dispose également d'un espace pour augmenter la production : la canne à sucre est maintenant plantée sur environ 3 pour cent des terres arables du Brésil, mais la culture pourrait s'étendre à plus de 100 millions d'acres actuellement utilisées pour le pâturage du bétail. Vous pourriez probablement quadrupler et quintupler la production de canne à sucre, explique Bill Haywood, PDG de LS9 et ancien dirigeant d'une société pétrolière. C'est mal compris par le reste du monde. Je pense que le Brésil va être la naissance de la haute qualité

diesel vert, tout comme pour l'éthanol.

En décembre, Amyris a conclu un accord pour construire sa première usine de farnesène, une installation de 100 millions de litres par an qui sera construite à l'intérieur de la nouvelle usine de sucre et d'éthanol de Boa Vista à Goiás. Dans le cadre de la transaction, Amyris a accepté d'acheter une participation de 40 % dans l'usine à son propriétaire, Grupo São Martinho. Son paiement total, environ 80 millions de dollars en espèces et en actions, était le prix le plus élevé jamais payé pour la capacité de broyage au Brésil, selon le président de São Martinho, Fábio Venturelli. Amyris voulait contrôler la construction de sa première grande usine, pour s'assurer que tout se passe bien. Mais à terme, l'entreprise envisage de troquer sa technologie pour accéder au jus de canne à sucre, une approche moins coûteuse. L'idée est de faire payer les sucreries du Brésil pour moderniser leurs usines tandis qu'Amyris apporte sa levure génétiquement modifiée. Amyris vendrait alors le farnésène et partagerait les bénéfices avec le moulin.

Bien que les conditions commerciales puissent être compliquées, l'argument de base qu'Amyris fait ne l'est pas : dans une industrie qui à bien des égards est de faible technologie (plus de la moitié de la canne à sucre du Brésil est toujours coupée par des journaliers armés de machettes), il promet de transformer les usines en bioraffineries futuristes capables de produire des produits chimiques et des carburants plus précieux que le sucre ou l'éthanol. De nombreuses entreprises brésiliennes ont réfléchi dans le même sens. Lorsque Venturelli est devenu PDG de São Martinho en 2008 et a vu pour la première fois les plans de l'usine de Boa Vista, il a remarqué que quelqu'un avait écrit une note sur une zone vierge. Il a lu, Cet espace pour le futur produit chimique à base de canne à sucre.

Beaucoup de questions demeurent, cependant. Toutes nos entreprises cherchent à être à la pointe du marché des carburants, et elles voient en Amyris une opportunité de transfert de technologie, déclare Alfred Szwarc, conseiller technique à l'UNICA, la plus grande association brésilienne de canne à sucre. Mais comme on ne connaît ni le prix ni les coûts opérationnels, pour l'instant c'est beaucoup de spéculation.

La principale incertitude concerne les performances de la levure Amyris dans des conditions industrielles. Ce sera l'une des premières fois que la biologie synthétique atteindra une telle échelle, et le processus posera certainement des problèmes d'ingénierie qu'aucune autre entreprise n'a rencontrés auparavant. Un souci : les souches de levures sauvages pourraient monter dans les cuves de fermentation avec le jus de canne à sucre. Dans les expériences de laboratoire stériles, ce n'est pas un problème. Mais dans un moulin à canne à sucre, la levure qui ne fait pas de farnésène pourrait facilement submerger la variété créée en laboratoire.

Des développements récents dans le projet d'artémisinine suggèrent également que les coûts pourraient être un problème. Le fabricant de médicaments Sanofi Aventis, qui a accepté de gérer la production commerciale de l'antipaludique, dit qu'il s'est heurté à des obstacles inattendus et prévoit désormais de produire le médicament entre 350 et 400 dollars le kilo. C'est proche du prix moyen de la version dérivée de plantes, mais c'est trois à quatre fois plus cher que Keasling l'a promis dans les interviews avec les médias.

Au Brésil, les rêves d'Amyris de transformer le secteur mondial des carburants devront peut-être être différés, au moins pour un temps. La première installation de l'entreprise pourrait ne pas produire de farnésène à un prix suffisamment bas pour concurrencer le diesel. Au lieu de cela, le farnesène produit par l'usine de São Martinho sera initialement vendu sur le marché des produits de consommation, où il peut se vendre à des prix bien plus élevés que ceux payés pour le diesel. (Il peut être utilisé, entre autres, comme agent hydratant pour les rouges à lèvres ou les crèmes anti-âge.)

Cela signifie que les scientifiques d'Amyris devront peut-être attendre encore un peu pour changer le monde. Mais Melo affirme que la société n'a pas reculé devant son objectif de devenir une force majeure sur le marché des carburants. Nous sommes tous axés sur l'impact, dit-il. Sauver des milliers d'enfants a un impact. Avec les carburants, c'est l'échelle. Si nous ne pouvons pas augmenter notre contribution aux [émissions] de CO2 ou à la production verte, nous ne serons pas pertinents.

Antonio Regalado est un correspondant collaborateur pour La science en Amérique latine et ancien rédacteur en chef de TR. Il est basé à Sao Paulo.

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