EmPowerPutida

Dit beestje moet de fossiele industrie vervangen

Technologische innovaties voor agriculturele vooruitgang

Met biochemie kan op den duur de fossiele industrie worden vervangen. Foto: Shutterstock

Geschatte leestijd: 9 minuten


Een bacterie als chemiefabriek, raffinaderij of afvalverwerker? Als het aan de Wageningse hoogleraar Vitor Martins dos Santos ligt, gaat Pseudomonas putida de concurrentie aan met de fossiele industrie. Met zijn Europese collega’s onderzoekt hij de mogelijkheden.

Dit verhaal begint in 1928. Toen ontdekte de Britse arts Alexander Fleming bij toeval dat de schimmel Penicillium notatum een stof afscheidt die bacteriën doodt. Deze schimmel maakt alleen heel kleine hoeveelheden penicilline. De ontdekking zette daarom weinig zoden aan de dijk, waarna Fleming zijn interesse verliest. Pas zo’n vijftien jaar later werd de échte waarde van penicilline als antibioticum bekend. Toen bleek namelijk dat als je schimmels er heel veel van laat maken, penicilline heel goed in staat is om infecties te bestrijden.

Maar hoe krijg je een schimmel, bacterie of ander organisme zover om veel meer gewenste moleculen af te geven? Of om dat onder heel andere omstandigheden te doen dan waarin zo’n cel normaal verkeert? Of, nog gekker, om compleet nieuwe moleculen te produceren, zodat je kunt concurreren met de fossiele industrie? Want dat is de grote opgave waar we voor staan: het vinden van alternatieven voor producten waar nu nog olie voor nodig is, zoals plastics, verf, rubber en piepschuim.

Pseudomonas putida kan bouwstenen maken voor producten waar nu nog olie voor nodig is

De Pseudomonas putida heeft ruime grenzen die het geschikt maken om te kunnen sleutelen aan de celfabriek. Foto: Shutterstock

In het laboratorium van Vitor Martins dos Santos, hoogleraar Biomanufacturing & Digital Twins bij Wageningen University & Research (WUR), wordt precies aan die vraagstukken gewerkt. Martins dos Santos gebruikt bacteriën en andere microben als celfabrieken om allerlei stoffen te maken. Soms weet hij die fabrieken sneller te laten werken, soms onder andere omstandigheden, en soms kan hij ze compleet andere producten laten maken.

Onmogelijk concurreren

Ter illustratie haalt Martins dos Santos bier aan. Daarin zitten gisten die alcohol maken. Maar onder normale omstandigheden komen die niet verder dan 5 tot 10 procent. Goed voor de smaak van het bier, maar zeer onhandig als je heel veel alcohol nodig hebt. “Hetzelfde geldt voor het maken van industriële producten zoals bioplastics of coatings, dan heb je een opbrengst van honderden malen hoger nodig met dezelfde hoeveelheid microben. Anders kun je onmogelijk concurreren met de traditionele petrochemische industrie.”

Het doel van Martins dos Santos’ onderzoek: bijdragen aan de oplossing voor één van de grote opgaven van deze tijd: de transitie van een fossiele naar een groene economie. Want als we geen olie en andere eindige grondstoffen meer nodig hebben om bijvoorbeeld plastic of smeermiddelen te maken, dan neemt zowel de CO₂-uitstoot als vervuiling enorm af.

Genetische buisleiding

Om die microben sneller en gevarieerder aan het werk te zetten, coördineert Martins dos Santos de onderzoekslijn Biomanufacturing. Daarin maakt hij microben geschikt voor de productie van allerlei moleculen onder allerlei omstandigheden. Dat doet hij door ze genetisch opnieuw te programmeren.

EmPowerPutida maakt gebruik van de inheemse rijkdommen door nieuwe regelsystemen in Pseudomonas putida te herformuleren, te herprogrammeren en te implementeren voor biokatalyse op maat. In deze video wordt kort verteld hoe ze dat doen.

De genen van een microbe geven namelijk de opdracht voor de productie van duizenden enzymen. Op hun beurt zijn enzymen verantwoordelijk voor de vorming of versnelling van moleculen. Dus, verander je de genen, dan ontstaan er ook nieuwe enzymen, en vervolgens nieuwe moleculen. Tezamen vormt dit de fabriek van de cel. “Net als in een fabriek wil je alle buizen voor aan- en afvoer goed aan elkaar sleutelen. Dat sleutelen doe ik in microben op het niveau van genen en hun expressie. Daarmee kan ik de biochemische buizen omleiden.”

Favoriete omstandigheden

Elke microbe heeft voor elk productieproces zijn eigen favoriete omstandigheden: met of zonder zuurstof, in een zure of basische omgeving, bij een lage of hoge temperatuur. Bij Biomanufacturing kunnen ze die ‘favoriete omstandigheden’ aanpassen. “We kunnen de microbe omprogrammeren zodat ze opeens zonder zuurstof kunnen, of resistent zijn tegen giftige stoffen die tijdens het productieproces ontstaan.”

Het onderzoek draagt bij aan de transitie van een fossiele naar een groene economie

Het wegnemen van dergelijke grenzen in de celfabriek vereist veel sleutelwerk. Martins dos Santos gebruikt daarom computermodellen. Deze vertellen bijvoorbeeld dat om stof X te maken, je microbe Y kunt gebruiken, waarbij je gen Z moet aanpassen. Vervolgens is het zaak om dat computermodel om te zetten naar de genen van een microbe, bijvoorbeeld via CRISPR-Cas, een techniek om de genen van een organisme relatief eenvoudig zeer nauwkeurig nieuwe genen toe te voegen en anderen te verwijderen. De uitkomsten van die modellen weerspiegelen alleen niet altijd de werkelijkheid. “Er komt altijd wel iets uit een model, dus je moet het toetsen met data uit de praktijk. Door de resultaten terug te geven aan de computer, ontstaat er een interactief model dat van zichzelf leert.” Martins dos Santos werkt ook met artificial intelligence, zodat zijn modellen betere voorspellingen doen. Ook zet hij zogeheten digital twins in: digitale kopieën van een microbe waarin hij kan uitproberen wat er gebeurt als hij een genetische buisleiding verplaatst of vervangt.

Sleutelwerk

In zijn sleutelwerk aan celfabrieken speelt Pseudomonas putida een hoofdrol. Die bacterie komt overal voor in de natuur, is ongevoelig voor veel giftige stoffen, kan een breed spectrum aan moleculen omzetten, en heeft zeer ruime grenzen. Die grenzen heeft de onderzoeksgroep van Martins dos Santos vervolgens nog verder opgerekt – of soms zelfs volledig weggenomen. Zijn versie van de P. putida kan bijvoorbeeld zonder zuurstof stoffen produceren – terwijl deze van zichzelf zuurstof nodig heeft – en overleeft ook hogere temperaturen dan hij normaliter comfortabel vindt, waardoor de productie versneld kan worden.

Onze rol is om te vernieuwen en te testen. Werkt het, dan geven we het door aan de markt

De P. putida is nu in staat om bouwstenen te maken om onder meer palmolie te vervangen. Foto: Dede Sudiana / Shutterstock

De Pseudomonas putida is inmiddels in staat om bouwstenen te maken voor allerlei producten waar nu nog olie voor nodig is. Hierdoor kun je biobased plastics maken, of een alternatief voor palmolie. Bovendien kan dit bacterium giftige stoffen afbreken, waardoor hij goed inzetbaar is om vervuild afvalwater schoon te maken. Ook kan de microbe lignine, een moeilijk afbreekbare afvalstof van planten, omzetten naar nylon, zodat ook daar geen olie meer voor nodig is. Die resultaten leverden niet alleen veel papers hierover op, maar ook patenten op deze transformaties.

Barrière

Dus, kan de fossiele industrie het roer al omgooien? Nee, zover is het nog niet. Enerzijds zijn er nog veel kleine technische hobbels om de productie van waardevolle chemicaliën (of juist de afbraak ervan) door de Pseudomonas putida naar een industrieel niveau te brengen. Maar een grotere barrière is dat de traditionele industrie niet zomaar haar bestaande processen omgooit. “Fossiele, olie-gebaseerde processen zijn heel goed uitgezocht, want ze zijn al meer dan honderd jaar oud. Mensen weten precies hoe ze werken, alles is goed op elkaar afgestemd en geoptimaliseerd.” Daardoor kan zij spotgoedkoop, zeer efficiënt en enorm productief haar producten maken – terwijl de celfabrieken van Martins dos Santos nog veel duurder, instabieler en trager zijn. “De biologische productie kent nog veel onbekende factoren en neemt veel risico’s met zich mee. Ook is zij nog niet geschikt voor de bestaande infrastructuur van de industrie. Je zult hiervoor nieuwe fabrieken moeten bouwen.”

Tesla van de biochemie

Het is daarom te hopen dat er snel een Tesla van de biochemie opstaat. Want sinds die automaker aantoonde dat de elektrische auto écht kan concurreren met de fossiele variant, gingen ook traditionele partijen overstag. “Ook de chemie verandert pas als het echt moet, want een verandering is heel duur en vereist veel aanpassingen. Er moeten daarom grote financiële redenen zijn om dit te doen, of regelgeving die hiertoe verplicht. Het gaat dus om een combinatie van marktfactoren, externe druk en technische mogelijkheden.” Wat niet betekent dat er geen beweging zichtbaar is. Martins dos Santos werkt al onder meer samen met industriële giganten als BASF, DSM en en Mitsubishi, net als met overheden als het RIVM en het ministerie van LNV, plus andere onderzoeksinstellingen. “We werken altijd via de gouden driehoek van overheid, markt en kennisinstellingen. Onze rol is om te vernieuwen met concepten en modellen. We testen die. Werkt het, dan geven we het door aan de markt.” Om terug te komen op de penicilline: nog vijftien jaar en dan zien we de effecten van zijn werk op de markt, gokt Martins dos Santos. Met dank aan de even veelzijdige als minuscule Pseudomonas putida.

Europese onderzoekscontext

EmPowerPutida draagt bij aan de volgende Europese beleidsuitdaging: Overstap van fossiele naar biobased economie

Betrokken groepen vanuit Wageningen University & Research: Bioprocess Engineering

Betrokken Europese en andere landen: België, Denemarken, Duitsland, Frankrijk, Griekenland, Nederland, Portugal, Spanje en Verenigd Koninkrijk, en multinationals uit onder meer Japan, de Verenigde Staten en Zuid-Amerika.

Looptijd: 2018 – 2022

Deel dit verhaal