Alle thema's

Lichtgevende bomen langs het fietspad

Deze publicatie is onderdeel van het thema: Synthetische biologie

Onze straten en wegen staan vol met lantaarnpalen. Die zijn niet echt fraai en verbruiken bovendien behoorlijk wat energie. Lichtgevende bomen zouden een alternatief kunnen zijn. Welk onderzoek is hier voor nodig? En hoe realistisch is het eigenlijk dat fietspaden en autowegen straks verlicht worden door de bomen die erlangs staan? Discussieer nu mee!

door

E plant plantpower fotosynthese docwerk

Planten nemen overdag zonlicht op en zetten dat om in brandstoffen zoals suikers. Docwerk

Het idee om bomen in te zetten als vervanging van lantaarnpalen is niet nieuw. Al in 2010 bedachten studenten aan de universiteit van Cambridge dat bomen wellicht geschikt zijn voor de productie van licht. Overdag doen bomen en andere groene planten aan fotosynthese, een chemische reactie waarbij lichtenergie wordt omgezet in brandstoffen zoals suikers. Daardoor bouwt de boom een energiereserve op die hij later weer kan gebruiken. Kan hij die energie dan niet gebruiken om zelf licht te produceren? Met dit idee deden de Britse studenten mee aan iGEM, een internationale competitie voor synthetische biologie.

Luciferase systeem

Licht produceren doe je niet zomaar, maar er zijn in de natuur verschillende organismen die dat wel kunnen. Ten eerste natuurlijk de vuurvliegjes. Deze insecten hebben in hun achterlijf een speciaal orgaan, de lantaarn, die zorgt voor lichtproductie. Onder invloed van zuurstof wordt het pigment luciferine door het enzym luciferase omgezet in oxiluciferine en bij deze reactie komt licht vrij. Een vuurvliegje voert deze reactie niet zomaar uit. Volwassen vuurvliegjes gebruiken lichtflitsen om elkaar te vinden tijdens de voortplanting. Larven gebruiken het licht waarschijnlijk vooral om roofdieren op een afstand te houden.

Photinus pyralis firefly 3

Het vuurvliegje (Photinus pyralis) gebruikt een ingewikkeld systeem om zelf licht te kunnen maken. Wikimedia Commons

Naast vuurvliegjes zijn er verschillende soorten lichtgevende bacteriën. Die komen met name voor onder water. Sommige soorten zijn vrijlevend, maar er zijn ook soorten, zoals bijvoorbeeld Vibrio fischeri, die samenleven met een gastheer en hun lichtproductie ook inzetten ten behoeve van die gastheer. Vibrio fischeri leeft in het gespecialiseerde lichtorgaan van de inktvis Euprymna scolopes. Deze inktvissoort jaagt ’s nachts vlak onder het wateroppervlak en valt zijn prooi van boven aan. Hij gebruikt het licht van de bacteriën als er veel maanlicht is, om schaduwen in het water te kunnen maskeren. Net als het vuurvliegje hebben lichtgevende bacteriën een luciferase systeem. De enzymen die nodig zijn voor de reactie worden bij bacteriën gemaakt door lux-genen.

Plantentumor

De Britse studenten hebben luciferase uit vuurvliegjes en lux-genen uit Vibrio fischeri ingebracht bij gewone E. coli bacteriën met als resultaat lichtgevende E. coli bacteriën in allerlei kleuren. Prachtig natuurlijk, maar nog niet direct toepasbaar. Want hoe krijg je die lichtgevende eigenschap nou in een boom of plant?

Sander van der Krol, plantfysioloog aan de Wageningen universiteit, heeft antwoord op deze vraag. “In de natuur bestaat een bacterie die planten kan ‘omprogrammeren’. Deze Agrobacterium injecteert genen in de plant en doet zo als het ware zelf aan genetische modificatie. In de natuurlijke situatie injecteert de bacterie een gen voor de aanmaak van een planthormoon, waardoor de plantencellen heel hard gaan delen, en daarnaast een gen dat codeert voor de aanmaak van een speciale suiker, waar alleen de bacterie zelf van kan profiteren. Wat je dan krijgt is een soort plantentumor die alleen nog maar van die speciale suiker aanmaakt.”

Planttumor

Deze plant is aangetast door Agrobacterium. In het gezwel wordt voortdurend een speciale suiker aangemaakt waar de plant zelf niet aan heeft, maar de bacterie wel. De bacterie heeft de plant als het ware ‘omgeprogrammeerd’ tot zijn eigen suikerfabriek. Wikimedia Commons

“Wat wij in het laboratorium kunnen doen, is de genen die Agrobacterium standaard gebruikt, vervangen door de genen die wij in de plant willen zetten. In het geval van lichtproductie gebruiken we luciferase van vuurvliegjes en een schakelaar die in plantencellen altijd aanstaat.”

Recycling

Voor het televisieprogramma Greentech mochten Pippa (12 jaar) en IJsbrand (11 jaar) een kijkje nemen in het laboratorium van Van der Krol. De kinderen hadden voor het uitvindersprogramma van RTL bedacht om lichtgevende planten langs fietspaden te plaatsen. Door in het laboratorium planten te injecteren met een aangepaste Agrobacterium konden zij met eigen ogen zien hoe het met de lichtproductie van planten is gesteld. En dat viel een beetje tegen. Van der Krol: “De lichtproductie van planten is op dit moment nog niet spectaculair. Je kunt het met een heel gevoelige camera goed zien. In het donker kun je het net aan waarnemen, maar het is zeker nog niet bruikbaar.”

Dat komt omdat het systeem in planten nog niet precies zo werkt als in het vuurvliegje. Van der Krol legt uit: “Om voldoende licht te kunnen maken, reageert luciferase in het vuurvliegje met luciferine. De plant bevat alleen luciferase, dus moeten we luciferine erbij spuiten. Het zou beter zijn om ook de genen die coderen voor luciferine in de plant te brengen.”

Gereedschap

Wetenschappers gebruiken het lichtgeven van planten als een soort gereedschap en zien de lichtproductie dus niet als een doel op zich. Wikimedia Commons

“Een ander punt is dat het vuurvliegje deze twee stofjes continue recycled. Daardoor blijft de reactie steeds doorgaan en krijg je uiteindelijk voldoende lichtproductie. Waarschijnlijk zou je dat in een plant ook allemaal wel voor elkaar kunnen krijgen, maar het probleem is dat voor onderzoek niemand daarnaar streeft."

“Wij gebruiken dit systeem om dynamiek in planten weer te geven en dan wil je juist geen recycling van de reactie. Voor ons onderzoek kijken we naar de werking van schakelaars van genen en als de reactie doorloopt, dankzij recycling, dan kunnen we niet zien dat de schakelaar inmiddels uitstaat. Het maken van lichtgevende planten is, voor ons, dus geen doel op zich, maar een stukje gereedschap om te bestuderen hoe dingen binnen in de plant werken.”

“We kijken wel of we genetische modificaties van planten kunnen gebruiken voor toepassingen, bijvoorbeeld hoe we planten kunnen maken die op grote schaal medicinale stoffen kunnen produceren. Planten maken een heleboel bijzondere moleculen, waaronder veel medicinale stoffen. Het probleem is dat ze vaak maar heel weinig maken. Wij proberen te ontdekken hoe planten bepaalde stoffen maken en hoe we dat zouden kunnen verbeteren via genetische modificatie. Dat kan uiteindelijk leiden tot goedkopere medicijnproductie en op dit moment is dat misschien een stuk nuttiger dan lichtgevende bomen langs de wegen.”

Zwakke planten

Ondanks dat de meeste wetenschappers zich hier niet op richten, gelooft Van der Krol wel dat de lichtgevende planten ooit realiteit worden. In de Verenigde Staten is de regelgeving op het gebied van synthetische biologie lang niet zo streng als hier. Mensen kunnen, bij wijze van spreke in hun garage, zelf aan de slag met stukjes DNA. En het eerste resultaat van dat knutselen is er al. In 2013 presenteerde het bedrijf Bioglow het eerste commerciële lichtgevende plantje: Starlight Avatar. Een toepasselijke naam, want het plantje geeft nog niet meer licht dan het schijnsel van de sterren.

8500133864 6ab3e6becd o

In de Verenigde Staten is de regelgeving rond synthetische biologie heel anders dan hier. Iedereen kan met stukjes DNA knutselen. De eerste commerciële lichtgevende planten zijn dan ook al een feit. Flickr

Hoe lang het duurt voordat er een plant is waarbij je, bijvoorbeeld, kunt lezen, vindt Van der Krol moeilijk te zeggen. “Het kan snel gaan, maar het kan zomaar ook nog jaren duren.” Over de eventuele effecten van lichtgevende planten of bomen maakt hij zich in ieder geval niet zo’n zorgen. “Bomen zullen licht gaan geven waar het normaal donker is. Dat zal wel invloed hebben. Misschien dat planten iets eerder of juist later tot bloei komen of dat het storend is voor sommige vogels. Maar ik verwacht niet dat de effecten heel dramatisch zullen zijn.”

Mocht dat toch tegenvallen, dan zijn de problemen ook zo weer opgelost. Kwestie van de lichtgevende bomen weghalen. Voor verspreiding van de lichtgevende eigenschap naar natuurlijke planten en bomen hoeven we volgens Van der Krol niet bang te zijn. “Aangepaste planten zijn over het algemeen toch wat zwakker dan natuurlijke planten en zullen dus doodgaan als ze niet goed verzorgd worden. Denk ook maar aan maïs. Dat kan hier alleen groeien omdat boeren daar heel goed voor zorgen. Je ziet niet ineens overal in het bos maïsplanten opduiken.”

Wil jij meepraten over de vraag “Wil jij lichtgevende bomen langs het fietspad?” Discussieer nu mee!