Lichtgelukkige gist kan onze aanpak van biobrandstoffen veranderen

Licht is Leven

Bijna alle energie in de menselijke beschaving is uiteindelijk afkomstig van de zon. Voedsel, biomassa en hout groeien dankzij zonlicht. En steenkool, gas en olie bestaan uit dode planten die miljoenen jaren geleden leefden. Zelfs wind ontstaat doordat de zon de atmosfeer verwarmt. En natuurlijk hebben we vandaag de dag zonnepanelen. Gezien hoeveel van onze energiebehoefte wordt gedekt door levende organismen die de kracht van de zon benutten, is het concept van biobrandstoffen logisch.

Het probleem is dat eerste- en tweede-generatie biobrandstoffen, die gewassen zoals maïs en suikerriet of landbouwresten gebruiken, een tamelijk lage energierendement hebben vanwege de hoeveelheid fossiele brandstoffen en kunstmest die nodig is om deze gewassen te verbouwen.

Bron: Unsplash

Derde-generatie biobrandstoffen proberen in plaats daarvan algen te gebruiken, iets waar we dieper op ingingen in ons artikel “Algal Biofuel: De Volgende Energierevolutie?”.

Maar wat als we elk organisme in staat konden stellen fotosynthese uit te voeren? Wat tot nu toe een luchtkasteel was, is gedeeltelijk bereikt door onderzoekers van Georgia Tech.

Licht-aangedreven gist

Gist is misschien wel het best begrepen micro‑organisme ter wereld. Mensen hebben de biochemische mogelijkheden van gist al sinds het begin van de beschaving benut om brood, alcohol en gefermenteerde melkopproducten te produceren.

Gist is ook een van de meest gebruikte “modelorganismen” in biologie‑laboratoria. En belangrijke bio‑fabrieken voor tal van medicijnen en nuttige biomoleculen.

Toch moet gist worden gevoed met suiker of andere verbindingen om te overleven. Tenminste, dat was zo tot Anthony Burnetti, een onderzoeker die werkt in het laboratorium van universitair hoofddocent William Ratcliff, erin slaagde gist in staat te stellen de energie van licht te oogsten.

“Alles wat we hoefden te doen was één gen verplaatsen, en ze groeiden 2 % sneller in het licht dan in het donker. Zonder enige fijnafstelling of zorgvuldige aansporing werkte het gewoon.”

Volledig nieuw type gist

Het team heeft veel ervaring met het aanpassen van gist, een alomtegenwoordig organisme met nieuw en onverwacht potentieel. Het meest opvallend is dat ze eerder erin slaagden de eencellige gist te transformeren tot een complex meercellig organisme in het “Multicellularity Long-Term Evolution Experiment”.

Bron: Georgia Tech

Een beperking voor de groei van deze meercellige gistorganismen was de toegang tot zuurstof in de innerlijke “weefsels”. Daarom gingen ze verder om gist een fotosynthetisch organisme te maken.

Hiervoor voegden ze een eiwit, de rhodopsine, toe aan de gist. Dit eiwit staat bekend om enige fotosynthese mogelijk te maken zonder de complexe eiwitten en biomoleculen van hogere planten (zoals chlorofyl).

Door slechts één gen dat codeert voor een rhodopsine‑eiwit toe te voegen, kon de gist licht opvangen en sneller groeien. De toename was bescheiden, slechts +2 % groeisnelheid, maar significant vanwege de eenvoudige wijziging. En deze verhoogde groei is nog niet geoptimaliseerd.

Biobrandstof met synthetische biologie

Tot nu toe heeft biobrandstofonderzoek geprobeerd al bestaande fotosynthetische planten (maïs, suikerriet of algen) te modificeren en het proces efficiënt genoeg te maken om economisch rendabel te zijn.

Dit stuitte echter op verschillende obstakels, omdat de biomaterialen in hogere planten en gewassen zoals maïs niet gemakkelijk beschikbaar zijn, en het omzetten ervan in ethanol leidt tot aanzienlijke energieverliezen. Ondertussen zijn algen veelbelovend, maar ze zonder contaminatie cultiveren is verre van een eenvoudige taak.

Daarentegen is het kweken van gist een goed begrepen proces dat routinematig wordt uitgevoerd in grootschalige industriële processen. Gist omvormen tot een vervanger voor algen zou de weg kunnen openen naar nieuwe methoden voor het synthetiseren van biobrandstoffen. In plaats van te vertrouwen op complexe processen om algen te laten groeien, zouden we gist of bacteriën kunnen ontwerpen zodat ze alleen van zonlicht kunnen groeien en profiteren van het feit dat deze organismen veel gemakkelijker in industriële hoeveelheden te kweken zijn.

Bio‑engineerde brandstofvoorraden

In het algemeen is dit nog een zeer jong en veelbelovend segment van biobrandstofonderzoek en bio‑engineering. Daarom zullen de bedrijven die dit het meest waarschijnlijk in de praktijk proberen te brengen, een hoog niveau van expertise in synthetische biologie en/of biobrandstofproductie nodig hebben.

De onderstaande lijst is slechts een suggestie van welke bedrijven potentieel geïnteresseerd kunnen zijn in de ontdekking van de onderzoekers van Georgia Tech.

1.  Reliance Industry

Reliance Industry is een enorm Indiaas conglomeraat, het grootste particuliere bedrijf van het land, actief in telecom, textiel en energie. In 2022 was het het eerste Indiase bedrijf dat ooit $100 mrd aan omzet bereikte.

Reliance heeft in 2022 haar intrede aangekondigd op de algen‑biobrandstofmarkt, met de claim “een van de grootste algenkweeksystemen ter wereld”. Tot nu toe bestond haar energieportfolio voornamelijk uit raffinaderijen en petrochemische fabrieken. Met dit algenproject zou ze productie kunnen starten en het overvloedige zonlicht in India (en onbebouwde woestijnen) benutten om de extreme afhankelijkheid van het land van buitenlandse fossiele brandstofimporten te verminderen.

Het bedrijf is ook actief in de productie van biogas uit landbouwafval, waardoor het India’s grootste bio‑energieproducent is.

2. Ginkgo Bioworks

Het bedrijf produceert op aanvraag organismen voor specifieke toepassingen. Dit omvat biomedische toepassingen, maar ook tal van industriële en materiaalkundige programma’s.

Ginkgo is precies het type bedrijf waar grote industriële conglomeraat zoals Reliance zich op zouden kunnen wenden om een op maat gemaakte gist voor biobrandstofproductie te ontwerpen.

Ginkgo Bioworks (DNA ) heeft haar toepassingen breed gediversifieerd met vele onderzoeksprogramma’s en partnerschappen:

• Cannabinoïden
• productie van mRNA‑vaccins en nucleïnezuurmedicijnen
• voedselproteïnen
• biologische meststofproductie in samenwerking met Bayer
• programmeerbare microben voor darmziekten
• Microplastics bioremediatie
• Biosecurity en detectie van pathogenen
• Recycling van afval en verontreinigingen

Het bedrijf verdient geld door eerst vooraf betaald te worden voor het ontwikkelingsproces en vervolgens royalties te ontvangen op het eindproduct.

2023 was een overvloedig jaar voor Ginkgo, met tientallen partnerschappen, waaronder:

• $331 M deals met Pfizer.
• $490 M deal met Merck om de productie van biologics te optimaliseren.
• $406 M deal met Boehringer Ingelheim voor ondoordringbare doelwitten.
• Samenwerking met Biogen en Novo Nordisk voor niet-openbare bedragen.

Bron: Gingko Bioworks

Ginkgo Bioworks werkt ook samen met alle grote landbouwcorporaties, waarvan de meesten enige interesse hebben in biobrandstofproductie en microbiologie. Een paar hiervan zijn Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta en meer.