Als het werkt, kan bakkersgist in de toekomst optimaal ethanol produceren. Foto Shutterstock. Bacteriën en gisten kunnen op duurzame wijze stoffen produceren die we nu nog uit fossiele brandstoffen moeten halen. Maar erg efficiënt zijn ze daar nog niet in. Een nieuw project, geleid door WUR-onderzoeker Ruud Weusthuis, won een beurs van onderzoeksfinancier NWO om microben zo aan te passen dat ze stoffen als aceton efficiënter kunnen produceren.
‘Ik ben heel blij met deze beurs’, glundert Ruud Weusthuis, persoonlijk hoogleraar Microbiële Biotechnologie in de leerstoelgroep Bioprocestechnologie. Zijn project ontving een ENW-XL beurs van ruim drie miljoen euro van NWO. Al zijn hele carrière is hij gefascineerd door elektronen in micro-organismen. Als er in een chemische omzetting geen elektronen verloren gaan, bereik je de theoretisch maximale opbrengst: de beginstof wordt volledig omgezet in het eindproduct. Glucose bevat bijvoorbeeld 24 elektronen, en kan omgezet worden naar twee ethanolmoleculen die elk twaalf elektronen bevatten.
In de praktijk gebeurt er echter van alles tegelijk in een levende cel: tientallen enzymen gebruiken dezelfde elektronen voor hun eigen reacties. Voor maximale opbrengst moet je de route van de elektronen kunnen controleren. Weusthuis bedacht een manier waarop onderzoekers dat zouden kunnen doen.
Nieuwe elektronendrager
Veel reacties in een cel maken gebruik van een elektronendrager, een redox-cofactor. In alle organismen is NAD (nicotinamide-adenine-dinucleotide) de belangrijkste. Weusthuis wil een nieuwe drager in de cel brengen: NMN (nicotinamide-mononucleotide), zelf een onderdeel van NAD. ‘Enzymen zullen die drager niet herkennen tenzij we ze aanpassen,’ vertelt hij. ‘Zo kunnen we zorgen dat alleen enzymen op de gewenste route de elektronen kunnen gebruiken en voorkomen we dat ze via andere reacties weglekken.’
Zulke chemische stoffen maken we nu vooral nog uit aardolie; gisten en bacteriën kunnen een duurzaam alternatief bieden
Ruud Weusthuis, persoonlijk hoogleraar Microbiële Biotechnologie
Het idee is vernuftig, maar heeft een nadeel: als alle elektronen naar het gewenste product gaan, kan de microbe niet meer groeien. Er moet dus een tweede route zijn als bypass naar essentiële reacties voor groei. In een model dat Weusthuis en collega’s bouwden om de gevolgen van de nieuwe drager voor de microbe te voorspellen, bleek de microbe vanzelf zo’n tweede route uit te stippelen. ‘In het echt zal dit lastiger zijn. Daarom zit in het project ook een groep van de Vrije Universiteit, die de microben laat evolueren in het lab zodat de stappen versnellen.’
Duurzaam
Het project gaat werken met de bacterie Escherichia coli en met bakkersgist Saccharomyces cerevisiae. De onderzoekers willen de bacterie melkzuur uit glucose laten maken via de nieuwe elektronendrager; in de gist willen ze uit glucose ethanol maken. ‘In die routes zijn slechts twee enzymen betrokken bij elektronenoverdracht, het is de basis.’ Niet voor niets begint het project met glucose. Weusthuis: ‘Dit is een route uit het energiemetabolisme, die van zichzelf al heel efficiënt is.’
Als die basis werkt, kan de route uitgebouwd worden om ook andere producten te maken. Denk aan oplosmiddelen zoals aceton en ethylacetaat, een oplosmiddel dat bijvoorbeeld in nagellak zit. Zulke chemische stoffen maken we nu vooral nog uit aardolie. Gisten en bacteriën kunnen een duurzaam alternatief bieden, dat met dit project in de toekomst beter kan concurreren met processen op basis van fossiele grondstoffen.
Projectpartners
Het project ‘Controle over elektronen in het microbieel metabolisme’ is een samenwerking tussen Wageningen Universiteit & Research, Vrije Universiteit Amsterdam, TU Delft en The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability (DTU Biosustain) aan de Technical University of Denmark.
