In de farmaceutische en voedingsindustrie zijn micro-organismen veelgebruikte productievehikels. Citroenzuur voor frisdranken, melkzuur in kaas en yoghurt; allemaal gemaakt door bacteriën en schimmels. Maar langzamerhand beginnen onderzoekers bacteriën ook zo aan te passen dat ze heel andere moleculen gaan produceren. Moleculen die we nu nog op basis van aardolie maken, zoals ethylacetaat of isopropanol.

Zijn bacteriën de sleutel tot een duurzame petrochemische industrie? Volgens Ruud Weusthuis, hoogleraar microbiële biotechnologie aan de Wageningen Universiteit, zijn er veel mogelijkheden om de petrochemie te verduurzamen. Bacteriën zijn er zeker een van. ‘Hoe je het ook wendt of keert, we moeten duurzamere grondstoffen en productiemethoden vinden. En omdat bacteriën zoveel verschillende chemische reacties kunnen uitvoeren, kunnen ze hier goed een rol in gaan spelen.’

‘Het blijft een uitdaging om bacteriën een bepaalde kant op te duwen’

Wereldwijd werken onderzoekers daarom aan het veranderen van bacteriën zodat ze ook heel andere typen moleculen. ‘Met de toolkit van de moleculaire biologie kunnen we het DNA van micro-organismen gericht aanpassen’, vertelt Joost Teixeira de Mattos, emeritus hoogleraar microbiële fysiologie aan de Universiteit van Amsterdam en medeoprichter van de biotech bedrijven Photanol en Sustenso. ‘We kunnen met bijvoorbeeld CRISPR-Cas9 bepaalde genen of genencombinaties inbouwen die de biochemische routes in zo’n organisme naar onze hand zetten.’

Hiervoor is kennis van het metabolisme nodig en een goed begrip van de functies van de verschillende biochemische routes. ‘Dat inzicht heb je nodig om aanknopingspunten te vinden’, zegt Teixeira de Mattos. ‘Je kunt moleculen in de bacterie namelijk wel dwingen om vanuit een metabool tussenproduct een afslag te nemen naar een bepaald eindproduct, maar dan moet je wel weten hoe dit het metabolisme en de overlevingskansen van de bacterie beïnvloedt.’ Zo werkt Photanol met cyanobacteriën die CO₂ onder invloed van licht omzetten naar onderdelen die ze nodig hebben om te groeien. ‘Door genen in te bouwen maken we afsplitsingen vanuit een centraal metaboliet naar een breed scala van eindproducten.’

Slimme detectie

Met een vergelijkbare strategie lukte het een promovendus van Weusthuis in 2017 om het enzym alkaanhydroxylase toe te voegen aan E. coli, waarna deze bacterie alkaandiolen kon produceren. En onlangs nog heeft Weusthuis gezorgd dat een E. coli bacterie ethylacetaat ging maken. Dat was nog niet zo makkelijk, want hij moest eerst een enzym vinden dat ethylacetaat kan vormen. ‘Er is al honderd jaar bekend dat gisten dit molecuul kunnen maken, maar hoe ze dat precies doen was nog onduidelijk. Na een lange speurtocht vonden we het verantwoordelijke enzym en bleek het ook in onze bacterie goed te werken.’ De nieuwe E. coli heeft een efficiëntie van ongeveer zeventig procent. ‘Nog lang niet optimaal, maar goed genoeg voor ons om te laten zien dat het principe werkt’, zegt Weusthuis. ‘Er is zeker nog wel ruimte voor verbetering, maar dat is meer een taak voor de industrie.’

‘Je moet de balans vinden tussen optimale productie en overleving van de bacterie’

De voorbeelden van Photanol en Weusthuis wekken de indruk dat het niet zo ingewikkeld is om een bacterie naar je hand te zetten. Maar dat valt in de praktijk nog flink tegen. Zo is het vaak een proces van vele jaren, omdat het alleen al een heel gedoe is om uit te vinden welke mutaties of toegevoegde genen precies het gewenste effect geven. Gelukkig werken onderzoekers van de KU Leuven aan methoden om dit allemaal wat makkelijker te maken. ‘Wij ontwikkelen lab-on-a-chip systemen om heel snel en efficiënt micro-organismen te modificeren en te optimaliseren voor de productie van de gewenste moleculen’, vertelt Jan Michiels, hoogleraar aan het Centrum voor Microbiële- en Plantengenetica aan de KU Leuven en het VIB. ‘Dit systeem bestaat uit een serie van kleine druppels waar steeds één variant van je organisme in groeit. Met behulp van slimme detectietechnieken kun je vervolgens bepalen welke varianten het gewenste molecuul maken.’

Ze zijn nu net een jaar bezig, maar het lukt al redelijk om de druppels te maken en van elkaar gescheiden te houden. Voor deze testen werken ze in samen met een industriële partner aan de productie van drie verschillende moleculen: alfa-keto-glutaarzuur, amyl-alcohol en vetzuren. ‘Het voordeel van deze moleculen is dat je ze met behulp van fluorescentie kunt detecteren in de druppels’, zegt Michiels. ‘Maar op termijn willen we ook andere moleculen maken. Zolang het basissysteem staat en werkt kan het zeker ook interessant zijn voor de productie van petrochemische moleculen.’

Productie vs. overleving

Desondanks heeft Michiels niet de illusie dat zijn systeem alle problemen van het onderzoek naar modificatie van bacteriën oplost. ‘Het blijft een uitdaging om bacteriën een bepaalde kant op te duwen. Het zijn levende organismen die willen groeien en zich kunnen aanpassen aan de omstandigheden, dus je kunt nooit honderd procent voorspellen wat er gaat gebeuren. Maar dat maakt dit werk juist zo interessant.’ En als het wel lukt om de bacterie de juiste moleculen te laten maken, dan nog is succes niet gegarandeerd. Toxiciteit is namelijk een belangrijk probleem in dit soort processen, vertelt Teixeira de Mattos. ‘De bacteriën kunnen zomaar doodgaan door het molecuul dat jij probeert te maken. Dus je moet uitzoeken welke concentraties de organismen nog aankunnen, en dan een balans vinden tussen optimale productie en overleving van de bacterie.’

Op kleine schaal, in het laboratorium, is die balans nog wel te vinden, maar opschalen blijkt vaak lastig. Ook omdat aspecten als besmetting dan een grotere rol gaan spelen. Weusthuis: ‘Je wilt geen andere bacteriën in je reactor krijgen die gaan concurreren en de grondstoffen opeten. Dat is op grote schaal nu eenmaal lastiger te voorkomen dan in het lab.’ Ook de beschikbare techniek is soms een uitdaging. ‘Cyanobacteriën moeten bijvoorbeeld precies genoeg licht van een specifieke intensiteit krijgen om te groeien en dat lukt niet in een donkere, afgesloten tank’, zegt Teixeira de Mattos. ‘Dus daar moeten we nieuwe technieken voor ontwikkelen.’

‘In de waterstofeconomie zouden deze organismen heel goed passen’

Toch zijn de onderzoekers ervan overtuigd dat het op termijn moet kunnen. Teixeira de Mattos noemt andere, vergelijkbare vakgebieden als voorbeeld. ‘Corbion maakt melkzuur op een enorme schaal, en ook vrijwel alle bio-ethanol in de wereld wordt door bacteriën gemaakt. Dus het is zeker mogelijk, het kost alleen tijd om alles goed te krijgen en de balans te vinden.’ En er zijn meer bemoedigende praktijkvoorbeelden.

Aan de Northwestern University in de Verenigde Staten wist hoogleraar Michael Jewett samen met zijn team bijvoorbeeld al verschillende petrochemische moleculen te produceren met behulp van bacteriën. Ze gebruiken hiervoor Clostridium autoethanogenum, een bijzonder organisme dat gassen kan fermenteren. Onlangs maakten deze onderzoekers twee varianten van C. autoethanogenum die CO₂-gas kunnen omzetten in respectievelijk aceton en isopropanol. Hoewel de ontwikkeling van deze varianten nog in de labfase zit, is er goede hoop dat het ook op industriële schaal werkt. Een eerdere variant van deze bacterie uit het lab van Jewett wordt namelijk al sinds 2018 op industriële schaal toegepast. De bacterie zet de uitstoot van een staalfabriek om in zo’n 90.000 ton ethanol per jaar.

Eerlijk verrekenen

Veelbelovend dus, maar kunnen deze organismen uiteindelijk echt concurreren met de huidige productie van chemicaliën uit olie? Dat ligt er maar net aan hoe de energievoorziening zich gaat ontwikkelen, zegt Weusthuis. ‘We zetten veel in op de waterstofeconomie, en daar zouden deze micro-organismen heel goed in passen. Dan kunnen we duurzaam opgewekt waterstofgas samen met CO₂ uit de lucht door bacteriën om laten zetten in chemicaliën die we nodig hebben. Zo ver is het nog niet, maar het zou in de toekomst zeker kunnen.’

Teixeira de Mattos denkt dat vooral de economische aspecten een grote rol spelen. ‘Het ligt er maar net aan wat je allemaal meeneemt in de kosten van een molecuul. De petrochemische industrie is nu relatief goedkoop, maar dat komt ook doordat de prijzen geen rekening houden met de milieukosten die dergelijke productie met zich meebrengt. Zodra we dat eerlijk gaan verrekenen, maken bacteriën een goede kans om het duurzamere en goedkopere alternatief te worden.’

Natuurlijk moeten er dan wel genoeg bacteriën zijn die al deze petrochemische moleculen kunnen maken, maar dat is volgens Michiels geen probleem. ‘De afgelopen jaren hebben we gezien dat het echt wel mogelijk is om bacteriën uiteenlopende moleculen te laten produceren. De vraag is alleen hoe we deze organismen efficiënter kunnen maken en hoe we de processen kunnen opschalen. Die uitdagingen zijn niet onoverkomelijk, en we gaan ze graag aan.’

Beeld in dit artikel: Photanol, Jan Michiels (KU Leuven)