美国对能源的贪婪需求在短期内没有减退的迹象。我们每天消耗 2000 万桶石油，并预计到 2025 年将消耗 2830 万桶石油。为了满足这一需求，能源部分析师估计，我们需要将进口石油量增加一倍。而这仅仅是开胃菜。曾在美国总统乔治·W·布什第一个任期内担任能源部长的斯宾塞·亚伯拉罕曾轻率地预测，除非我们在 2025 年之前建造 1300 至 1900 座新的发电厂，否则美国不断增长的电力需求将无法满足。
为了寻求解决方案，科学家们正回归基础——回归太阳，但不是光伏发电，即阳光直接转化为电能。经过几十年的承诺落空，光伏发电仍然昂贵且效率低下，仅占全国电力供应的 0.03% 以下。明智的做法是寄希望于生物学家们在基因上操纵光合作用方面的创新努力，即植物和其他生物体利用太阳光转化为分子能量的过程。
当然，光合作用是化石燃料的原始来源。在过去的时代，消耗阳光的植物和生物体的残骸最终在地壳中沉积，经过数百万年的转化，变成了煤炭、石油和天然气。我们在不到两个世纪的时间里耗尽了大部分的光合宝藏，因此一些科学家正在寻求基因工程的方法，将各种生物体转化为更高效的能源生产者。
在从微生物到木兰科植物的各种生物体中，光合作用会产生生物质。水 (H2O) + 二氧化碳 (CO2) + 光能（太阳辐射）产生碳水化合物 + 氧气。通常，该过程不涉及氢化酶（一种促进气态氢形成的天然酶）。但是，通过基因干预，可以鼓励微生物激活氢化酶。最终结果是改变了光合作用过程，产生的氧气更少，氢气更多。
科罗拉多州戈尔登市国家可再生能源实验室的研究人员已经成功地通过操纵普通绿藻莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的光合作用，将太阳能直接、持续地转化为氢气。生物学家 Michael Seibert 和他的同事发现，他们可以通过限制硫酸盐的供应来激活光合作用过程中的氢化酶。Seibert 说：“这是一个巧妙的小系统，表明你可以让藻类持续产氢数天。事实上，我们现在已经这样做了大约六个月，持续不断。”
将光合作用转化为氢气的效率和规模提升到工业生产水平将是一个挑战。但无论听起来多么奇怪，池塘污泥的景象很快就会萦绕在能源分析师的脑海中。Seibert 提出了这样一个设想：“想象一下，如果这个国家有 2 亿辆乘用车是燃料电池驱动的——这可能发生——而且我们能让这个过程以 10% 的转化效率工作。那么，在例如新墨西哥州或亚利桑那州的类似 100 英里见方的面积上，就需要生物反应器——本质上是防水的覆盖池塘——来生产驱动这 2 亿辆汽车所需的所有氢气。”
J. Craig Venter，这位开创性科学家在 2000 年领导了人类基因组测序，他正在探索利用基因组学来改造微生物，使其具备更强的将太阳辐射转化为可用燃料形式的能力。他和马里兰州罗克维尔市 J. Craig Venter 研究所的同事们最近对马尾藻海（Sargasso Sea）近海表面的微生物进行了采样，发现了 1800 个新物种和 120 万个新基因，其中包括 782 个利用太阳辐射的新光感受器。
光感受器基因对能源有什么影响？
V：
许多此前未知的生物学现象，包括上层海洋的生物学，似乎都依赖于直接从太阳捕获能量。我们与其他研究者一起推测，也许可以制造一个光感受器阵列。这项研究在理解碳封存问题方面也有很多启示。但那都是很大的飞跃。
还有什么发现能
改变我们的能源格局？ V：
我们在海洋环境中随机发现了数百种新的纤维素酶。植物是一种捕获太阳能量的方式，如果你能将复杂的糖（纤维素酶的作用就是如此）分解成简单的糖，那么这些简单的糖就可以驱动新陈代谢，并通过发酵等过程生产乙醇。从在环境中发现新的纤维素酶到生产乙醇，这是一个很大的飞跃，但生物能源的潜力非常高。
Venter 研究所的方法是什么？ V：
我们一直在推动基础研究，以了解生物学在清洁能源生产中能发挥什么作用。你知道，人们长期以来一直在适度地寻找生物能源。人们一直在寻找产氢的生物体，但我认为，在环境中发现一种天然存在的、能产生足够用于商业生产的氢气的生物体，会令人惊讶。因此，我们提出的建议是应用新的基因组学工具，看看我们是否可以改造或增强现有的通路，以改变产量。如果人们通过引入纤维素酶来利用现在被丢弃或焚烧的大部分植物，从而降低乙醇的生产成本，那么这就有可能改变能源格局。
生物学如何提供帮助？ V：
目前，乙醇的生产效率不高，因为人们只使用甘蔗中的糖或玉米中的简单糖。构成大部分植物的复杂糖并不容易获得。这些是生物学可能发挥重要作用的领域。许多团队和公司正在努力制造更好的纤维素酶，或从环境中寻找更好的纤维素酶，以提高这些过程的效率。如果真的发生，那很可能来自于经过工程改造的东西，而不是自然发现的东西。
您是否在从事这类工程方面的工作？ V：
是的，我们正在改造一种生物体，使其能够同时分解复杂的糖并进行发酵。
其中涉及哪些障碍？ V：
这些是酶复合体。这不像仅仅制造一种酶，然后将其添加到植物上，植物就会立即分解。而且，在工业规模上进行任何操作显然都需要大量的能源和大量的化学投入。因此，仅仅拥有一个性能更好的酶系统并不能立即解决所有问题。
我们需要多少生物能源？ V：
如果生物学能贡献解决方案的 10%，那仍然会产生巨大的影响。如果我们能够改造细胞产生氢气、丁烷或丁醇——这些都是清洁燃料——那么就可以与燃料电池结合在本地生产。这与必须建造一个完整的制造厂以及配送和储存系统不同。尽管人们长期以来一直在寻求生物替代能源，但我们现在谈论的是一项实质性的努力，真正改造生物学以增加能源产量。而且，有人告诉我们，这是几十年来出现的新事物。
