Californische onderzoekers hebben een ‘groene’ manier bedacht om spijkerbroeken blauw te kleuren. Hun bacteriële indigosynthese scheelt een hoop chemisch afval, blijkt uit een publicatie in Nature Chemical Biology.

De blauwe kleurstof indigo komt orspronkelijk uit de indigoplant, Polygonum tinctorium, maar wordt al honderd jaar gesynthetiseerd op basis van het aardolieproduct aniline. Aan dat proces komen onder meer formaldehyde, waterstofcyanide en sterke basen te pas.

Bovendien is indigo onoplosbaar in water. Om er katoen mee te verven moet je het eerst tijdelijk reduceren tot het wél oplosbare ‘leuco-indigo’. Als reductor dient dan meestal natriumdithioniet (Na₂S₂O₄), een zwavelverbinding die bij ontleding sulfaten en sulfieten oplevert. Die onoplosbaarheid ligt overigens ook aan de basis van het kleureffect: indigo reageert niet met katoen maar wordt opgezogen in de vezels, waarna het er niet meer uitgaat in de was maar wél geleidelijk wegslijt zodat je het natuurlijke wit van het katoen weer krijgt te zien.

Berkeley-onderzoeker John Dueber en collega’s hebben nu achterhaald hoe de indigoplant zijn eigen kleurstof oplosbaar houdt. Die plant werkt met indool, dat hij eerst hydroxyleert tot indoxyl. Leuco-indigo is daar een dimeer van, maar de dimerisatie wordt voorkomen door een glucosyltransferase-enzym genaamd PtUGT1 dat indoxyl tijdelijk koppelt aan glucose als beschermende groep. Het kleurloze resultaat heet indicaan. Om daar weer indoxyl en vervolgens indigo van te maken is een bèta-glucosidase nodig, een ander enzym dat alleen wordt aangemaakt in de chloroplasten waar het indigo gewenst is.

Duebers groep wist niet alleen de structuur van PtUGT1 op te helderen, maar ook het verantwoordelijke gen te achterhalen. Dat plaatsten ze over naar E. coli, samen met een flavine-afhankelijk monooxygenase dat indool omzet in indoxyl. Een enzym genaamd TnaA dat indool maakt uit het aminozuur L-tryptofaan blijkt van nature al in coli’s te zitten en vanzelf tot expressie te komen als je de bacteriecultuur niet met glucose voedt maar met glycerol, en extra tryptofaan toevoegt. Schakel je dan ook nog een natuurlijk bèta-glucosidase van de coli uit, dan krijg je een organisme in handen dat in staat blijkt om 97 % van zijn tryptofaan om te zetten in indicaan.

Om met de indicaanoplossing katoen te kunnen verven heb je dan nog een bèta-glucosidase nodig dat in staat is binnenin een katoenvezel indicaan te ontdoen van zijn glucose. Dat bleek te vinden in Bacillus circulans. En inderdaad is het zo gelukt om minstens één katoenen sjaal overtuigend indigoblauw te verven.

Helemaal nieuw is het niet: met een primitieve variant van het opzetje deden drie van de auteurs al in 2013 mee aan de iGEM-studentencompetitie voor synthetische biologie.

NWO tekent er bij aan dat het in Nederland eveneens een onderzoek naar milieuvriendelijke indigo subsidieert. Dat wordt uitgevoerd door de Groningse hoogleraar Marco Fraaije, in samenwerking met de Turkse denimproducent Isko. In een reactie laat Fraaije weten dat zijn insteek een beetje lijkt op die van Berkeley; de structuur van het gebruikte monooxygenase heeft hijzelf opgehelderd, al in 2008. Hij werkt echter niet met een glucosyltransferase. Meer details kan hij niet geven zolang het octrooi nog niet is aangevraagd.

Hij tekent er wel bij aan dat de invoering van biologische indigo nog een uitdaging wordt zolang het huidige chemische proces zo goedkoop is.

bron: Nature Chemical Biology, met dank aan Marco Fraaije