Als een gist, schimmel of bacterie groeit op bijvoorbeeld een suiker, dan wordt dit in de cellen omgezet in honderden andere moleculen. Deze moleculen worden gebruikt voor de opbouw van nieuwe cellen en voor het leveren van de energie die nodig is voor groei en overleving. De chemische reacties die nodig zijn voor het maken van nieuwe moleculen, worden mogelijk gemaakt door enzymen: eiwitmoleculen die specifieke reacties katalyseren (vergemakkelijken).
De informatie voor het maken van enzymen ligt opgeslagen in het DNA. Het afgebakende pakketje genetische informatie dat zorgt voor de aanmaak van een enkel eiwitmolecuul noemen we een gen. Als het DNA van een micro-organisme niet het gen voor een bepaald enzym bevat, kan dat micro-organisme dus ook niet de betreffende chemische reactie katalyseren.
Naast honderden tot duizenden genen die zorgen voor de aanmaak van enzymen, bevat het DNA van een micro-organisme ook genen die de code bevatten voor het maken van transporteiwitten. Deze transporteiwitten worden ingebouwd in het membraan dat de cellen omgeeft. Ze zorgen ervoor dat grondstoffen, zoals de eerder genoemde suikers, de cellen in getransporteerd kunnen worden en dat producten worden afgevoerd. Een derde belangrijke groep van eiwitten is niet direct bij chemische reacties of transport betrokken, maar regelt de aanmaak, afbraak en activiteit van andere eiwitten.
Het functioneren van een micro-organisme als een ‘celfabriek’ waarin een brandstof, een geneesmiddel of een bioplastic wordt gefabriceerd is dus het netto resultaat van de gezamenlijke arbeid van honderden verschillende genen en eiwitten.
Om een economisch haalbaar en duurzaam alternatief te bieden voor de productie van chemicaliën en transportbrandstoffen uit aardolie, moet de omzetting van plantaardige grondstoffen uiterst efficiënt gebeuren. Met andere woorden: er moet per ton grondstof zoveel mogelijk product worden gevormd en zo min mogelijk bijproducten of afval. Als teveel grondstof wordt omgezet in nieuwe micro-organismen of in andere producten, worden zowel de kostprijs als de afvalberg te hoog.
Micro-organismen zoals ze in de natuur voorkomen, de zogenoemde wildtype gisten, schimmels en bacteriën, zijn het resultaat van vele miljoenen jaren evolutie. Hierbij is de stofwisseling van de micro-organismen volledig geoptimaliseerd om de overlevingskansen in hun natuurlijke milieus zo groot mogelijk te maken. In de industrie stellen we heel andere eisen aan micro-organismen dan in de natuur. Het is daarom slechts zelden mogelijk om natuurlijke micro-organismen op een efficiënte manier in te zetten voor de productie van chemicaliën. Voordat dit mogelijk is, moeten we hun eigenschappen, soms ingrijpend, veranderen. Dit kan alleen door veranderingen aan te brengen in hun DNA.
Ongerichte ingrepen in het DNA: mutagenese
Er bestaat een methode voor het veranderen van DNA, die al tientallen jaren wordt ingezet voor het verbeteren van de prestaties van industriële micro-organismen. Door micro-organismen bloot te stellen aan ultraviolet licht of ze te behandelen met chemicaliën die schade aanrichten in het DNA, treden allerlei toevallige mutaties op in het DNA. Deze behandelingen noemen we mutagenese. De code van een gen kan bijvoorbeeld worden veranderd, waardoor een enzym andere eigenschappen krijgt. Andere mutaties kunnen er weer voor zorgen dat bepaalde eiwitten meer, minder of helemaal niet meer worden aangemaakt.
Sommige mutaties die via deze ongerichte methode in het DNA optreden kunnen een gunstig effect hebben op de prestaties van een micro-organisme in de industrie. Ze leiden bijvoorbeeld tot een verhoogde snelheid van productvorming, meer product per kilo suiker, of een hogere tolerantie tegen de hoge concentraties van het product in het reactorvat, waardoor in een industrieel proces sneller en meer product gemaakt kan worden.
Tegelijk zijn er veel meer mutaties denkbaar die geen enkel effect hebben op de productvorming (neutrale mutaties) of die zelfs leiden tot verminderde prestaties (negatieve mutaties). De uitdaging voor de biotechnoloog is om uit de tienduizenden of zelfs honderdduizenden verschillende mutanten uit een mutagenesebehandeling, alleen díe mutanten te selecteren die interessant zijn voor de industrie. Vroeger was dit een arbeidsintensief proces. Tegenwoordig is de combinatie van mutagenese en selectie van de juiste mutanten verregaand geautomatiseerd. Robots kunnen per week tienduizenden verschillende mutanten testen op, bijvoorbeeld, de verbeterde productie van een biobrandstof of een antibioticum.
Deze klassieke, ongerichte methode van mutagenese en selectie, dus via trial and error, is ook in de moderne industrie nog van groot belang. De methode is krachtig en er is geen gedetailleerde kennis van de celstofwisseling voor nodig om toch belangrijke verbeteringen van productvorming te realiseren. Hoewel bij deze benadering allerlei veranderingen in het DNA optreden, worden micro-organismen die uitsluitend via deze route worden gemaakt voor de wet niet beschouwd als ‘genetisch gemodificeerde micro-organismen’ (GMO’s). Micro-organismen die door mutagenese verbeterd zijn worden dan ook op grote schaal toegepast in de levensmiddelenindustrie. Toch heeft deze methode voor de biotechnologen zijn beperkingen: het is niet mogelijk om geheel nieuwe producten te maken, verbeteringen gaan vaak via veel kleine stappen en de vooruitgang is daardoor relatief langzaam.
Gerichte veranderingen: metabolic engineering
De manier waarop de informatie voor het maken van eiwitten is gecodeerd in het DNA, is vrijwel hetzelfde in alle levende micro-organismen. Dit maakt het mogelijk om genen van het ene naar het andere organisme over te brengen, inclusief het vermogen om de bijbehorende eiwitten te maken. Het eerste experiment met deze ‘recombinant-DNA’ technologie werd gepubliceerd in 1973. In de jaren tachtig werd deze technologie bijvoorbeeld door het pionierende biotechnologiebedrijf Genentech ingezet om menselijke eiwitten die een belangrijke rol hebben als medicijn, in micro-organismen te maken. Veel gebruikte geneesmiddelen als insuline en menselijk groeihormoon worden sindsdien op grote schaal met genetisch gemodificeerde gisten en bacteriën gemaakt. Het is aan deze technologie te danken dat diabetes-patiënten nu onafhankelijk zijn van varkensinsuline uit slachthuismateriaal en dat kinderen met groeistoornissen, die behandeld worden met menselijk groeihormoon, niet hoeven te vrezen voor besmetting met de dodelijke ziekte van Creutzfeld-Jacob door gebruik van hersenen van overleden, besmette donoren.
Nadat genetische modificatie met succes was ingezet voor de productie van farmaceutische eiwitten, richtte de aandacht zich ook op het maken van chemicaliën en brandstoffen. Voor het maken van een eenvoudige chemische verbinding als ethanol (C2H6O) uit glucose (C6H12O6) zijn, afhankelijk van het organisme, al zo’n twaalf tot vijftien eiwitten nodig. Toch lukte het vanaf de jaren negentig steeds beter om micro-organismen aan te zetten tot het maken van nieuwe moleculen en het gebruik van nieuwe grondstoffen.
De toegenomen slagkracht van het vakgebied dat wordt aangeduid als metabolic engineering is te danken aan een aantal ontwikkelingen in de wetenschap. Wellicht de belangrijkste hiervan is het, vanaf de jaren negentig, beschikbaar komen van de volledige DNA-volgorde van alle industrieel relevante micro-organismen. Wetenschappers hebben hierdoor een veel beter beeld van de (on)mogelijkheden die de genetische blauwdruk van een micro-organisme biedt. Het is ook mogelijk om hier zeer nauwkeurig op in te grijpen. Een andere belangrijke ontwikkeling schuilt in de wiskundige modellen die van de stofwisseling kunnen worden gemaakt op grond van de DNA-volgorde van micro-organismen. Deze wiskundige modellen worden steeds vaker met succes ingezet om het effect van genetische ingrepen in de stofwisseling op de opbrengst van producten te voorspellen.
Biobrandstof versus voedsel?
Een goed voorbeeld van metabolic engineering uit Nederlands onderzoek richt zich op de productie van bio-ethanol. Deze alcohol staat sterk in de belangstelling als duurzame autobrandstof. Er wordt nu wereldwijd al zo’n tachtig miljard liter per jaar van geproduceerd. Al deze bio-ethanol wordt gemaakt door suikers, zoals glucose en sacharose, te laten vergisten door bakkersgist. Deze suikers komen uit gewassen zoals maïs en suikerriet of -biet.
Maïs kan natuurlijk ook worden gebruikt worden voor de productie van voer (voor vee) of voeding (voor de mens). Er bestaat dan ook zorg dat een toenemende vraag naar maïs en suikerriet voor productie van brandstof er uiteindelijk toe zou kunnen leiden dat er niet genoeg grond beschikbaar blijft voor voedselproductie. Om zulke concurrentie om grondstoffen tussen voedsel- en biobrandstofproductie (food versus fuel) tegen te gaan, is het belangrijk om relatief waardeloze reststromen uit de landbouw, zoals stro, maïsloof of suikerbietenpulp om te zetten in ethanol. In die reststromen bevinden zich echter suikers zoals xylose en arabinose, die niet door bakkersgist kunnen worden omgezet. Door het inbouwen van genen uit een schimmel en een melkzuurbacterie, en door het verhogen van de activiteit van een aantal gistgenen, ontwikkelden onderzoekers aan de TU Delft gistvarianten die zowel xylose als arabinose efficiënt kunnen omzetten in ethanol. Het Nederlandse bedrijf DSM heeft deze technologie verder ontwikkeld en, samen met een Amerikaanse partner, een grote fabriek in Iowa gebouwd waarin deze gistvariant wordt gebruikt om ethanol te maken uit reststromen van maïs. Deze fabriek is in september 2014 geopend door Koning Willem-Alexander en zal zo’n 80 miljoen liter ethanol per jaar gaan produceren.