biotechnologie 17 - Marianne Heselmans

Biotechnologie
C2W LIFE SCIENCES 2 - 8 februari 2013
17
Graven in de
schimmels
Met genome mining zijn de afgelopen
jaren al tientallen schimmelenzymen
gevonden voor het afbreken van
landbouwafval. Nu moet de productie nog
betaalbaar worden.
Marianne Heselmans
V
olgens sommige onderzoekers zijn
er ‘ruim honderd’ schimmelgeno­
men in kaart zijn gebracht, anderen
schatten het al op ‘enkele honderden’. Het
aantal is niet bekend, maar het aantal
miljarden schimmelbasen in databanken
loopt snel op. Om gericht in die letterbrij
te zoeken naar genen die coderen voor
nieuwe industriële enzymen is een term:
genome mining. Het is een techniek
waarbij de aminozuurvolgorde van
bekende enzymen, leidt naar vergelijkbare
enzymen die toch net even anders zijn:
geschikt voor het afbreken van sinaas­
appelschillen in plaats van ananasschillen;
voor wilgenhout in plaats van eikenhout.
Groene chemicaliën
Genome mining is een van de belangrijk­
ste technieken die onderzoekers nu inzetten
voor de productie van bio-ethanol, biomateri­
alen en groene chemicaliën uit landbouwaf­
val. Met genome mining zijn afgelopen jaren
tientallen nieuwe celwandafbrekende schim­
melenzymen gevonden, en het aantal groeit
snel. Zulke enzymen zijn hard nodig, blijkt
uit een rondgang langs Nederlandse labora­
toria. Probleem vormt de prijs van de
celwand­afbrekende enzymen; die moet nog
fors omlaag.
Zetten ze fabrieken
bij de boeren of
bij havens?
De vraag naar nieuwe enzymen zal voor­
lopig nog wel blijven. Overheden en
bedrijven willen in plaats van aardolie
steeds meer plantaardig materiaal als
grondstof voor energie of biomaterialen
inzetten. En die biobased economy moet
zoveel mogelijk gaan draaien op landbouw­
afval, en niet op (eetbare) suiker of zetmeel.
De nieuwe enzymen zijn dan nodig om het
voorbewerkte landbouwafval om te zetten
in suiker. Waarna die suiker weer kan wor­
den omgezt in bio-ethanol of in bouwste­
nen voor bioplastic. Maïsstengels, garna­
lenschilletjes, houtsnippers of appelschillen
hebben allemaal hun eigen typen slecht
afbreekbare celwandcomponenten. Hoe
specifieker het mengsel celwandafbreken­
de enzymen, hoe meer suiker voor de bioethanol of het bioplastic.
cellulases
TNO Zeist heeft bijvoorbeeld 2 jaar gele­
den met genome mining een nieuwe
cellulase gevonden. Er zijn al zeker twin­
tig cellulases in de handel, het voordeel
van deze cellulase is dat die weer andere
celluloses uit plantmateriaal afbreken dan
de commercieel verkrijgbare mengsels.
“De commerciële cellulases van DSM,
Novozymes en DuPont kunnen nu 90
procent van de cellulose van maïs, tarwe
en suikerriet in suiker omzetten”, vertelt
TNO-onderzoeksleider Peter Punt, ook
hoogleraar Industriële Biotechnologie aan
de Universiteit Leiden. “Maar juist die
paar procent extra omzet door een
extra cellulase, kan een producent van
bio-ethanol miljoenen euro’s per jaar
schelen.”
Advertentie
18
Biotechnologie
Elke schimmel kan wel tot twintig (vari­
aties van) bekende cellulases hebben, en
dan ook nog een aantal onbekende. Het
door TNO gevonden cellulasegen zet
cellulose met specifieke zijketens in sui­
ker om. Franse onderzoekers identificeer­
de het enzym vervolgens als lid van de nog
niet eerder beschreven cellulasefamilie
GH131. “In feite is genome mining associ­
atief”, licht Punt de zoekmethode toe. “Je
weet welke eiwitdomeinen (stukken van
een paar honderd aminozuren, red.) de
bekende cellulases kunnen hebben.
‘Er zijn al zeker
twintig cellulases in
de handel’
Bijvoorbeeld A, B, C en D. Als je dan in
een schimmelgenoom ineens A en E bij
elkaar ziet zitten, denk je: hé, dat E-domein
is misschien belangrijk.”
Het nieuwe gen, afkomstig van de
bodemschimmel Podopora anserina, zette
TNO in Aspergillus niger, die bij DSM al
jaren enzymen en zuren produceert. De
TNO-onderzoekers werkten de nieuwe
cellulase op uit de reactor met hun eigen
A. niger. En inderdaad, als het enzym werd
toegevoegd aan een commerciële enzy­
C2W LIFE SCIENCES 2 - 8 februari 2013
menmix om voorbewerkte maïsstengels
om te zetten, werd er extra veel suiker
geproduceerd. TNO hoopt nu dat be­
drijven het (gepatenteerde) gen in hun
organisme willen zetten.
“We zoeken nu ook naar cellulases die
wieren kunnen afbreken tot suiker, vertelt
Punt. Dat is speciaal interessant voor
kustlanden zoals Nederland.” Punt heeft
daarom in september allerlei verse en
(half ) rottende wieren van het strand
gehaald met daarop – uiteraard – DNA
van wierafbrekende organismen. Een
promovendus gaat nu onderzoeken of
hier interessante genen tussen zitten die
wierresten kunnen omzetten.
Zoektocht
In de natuur kijken past dus ook bij
genome mining. Zo’n 10 jaar geleden
isoleerde de Universiteit van Nijmegen al
een gen van de schimmel Pyromyces uit
olifantenmest, voor het omzetten van
houtsuiker (xylose) in ethanol. In olifan­
tenmest was zo’n gen te verwachten,
omdat olifanten takken kunnen verteren.
Het gen zit inmiddels in de bakkersgist
voor de nieuwe ethanolfabriek die DSM
en ethanolproducent Poet in het
Amerikaanse Iowa aan het bouwen zijn.
Maïsafval vormt daar de grondstof.
Inmiddels identificeren sommige
Biotechnologie
C2W LIFE SCIENCES 2 - 8 februari 2013
groepen al tientallen nieuwe genen tegelij­
kertijd. Het Amerikaanse Joint Genome
Institute (JGI) identificeerde in 2011 in één
keer veertig genen betrokken bij de omzet­
ting van gras in ethanol. Via een fistel
haalde ze uit de maag van een koe half
verteerd gras waarop de omzettende
schimmels en bacteriën nog te vinden
zouden zijn, waarna ze via genome mi­
ning de kandidaatgenen identificeerden.
De Utrechtse hoogleraar Han Wösten
zoekt, samen met het JGI en gefinancierd
door het Amerikaanse Department of
Energy, specifiek naar enzymen die lignine
afbreken, een celwandcomponent in hout­
achtige gewassen en ook in graanstengels.
Lignine afbrekende enzymen vindt je in
paddenstoelvormende witrotschimmels
waaronder Schizophyllum commune. “We
weten al dat er twee genenfamilies belang­
rijk zijn,” vertelt de hoogleraar Moleculaire
Microbiologie, “mangaan- en lignine­
peroxidases, maar er zijn er absoluut nog
meer. We staan pas aan het begin.”
Puzzel
Zo zoeken instituten en bedrijven op
rottende tomatenschilletjes, half vergane
palmbladeren en bietenpulp. Toch is het
vinden van enzymen maar een klein stuk­
je van de puzzel. Aan de fabriek in Iowa
heeft ook de TU Delft meegewerkt. “Het
meest bepalend voor het financieel succes
van die fabriek is,” volgens de Delftse gist­
onderzoeker Ton van Maris, “de kosten­
beheersing van de cellulases en hemicel­
lulases die het maïsafval omzetten.”
Ook volgens Punt moet de productie in
reactoren nog fors omhoog. En dat is, zegt
hij, een kwestie van voortdurend op vele
manieren proberen. Bij elke opschaling –
van 10 naar uiteindelijk 300.000 liter –
weer opnieuw.
Punt: “Wij hebben bijvoorbeeld een A.
niger gemaakt met een gen voor extra ita­
conzuurproductie (een bouwsteen voor
bioplastic, red.). Dat gen werkt beter bij
lage zuurstofspanning. Bij een lage zuur­
stofspanning groeit de schimmel echter
weer minder goed. We hebben er dus ook
een gen ingebracht voor een hemoglobi­
ne-eiwit dat beter zuurstof bindt.”
‘We staan pas aan
het begin’
TNO doet ook mee aan het EUprogramma BioConSept dat streeft naar
continue productie. Nu zet men reactoren
nog om de paar dagen stil om er de door­
groeiende schimmel met zijn producten
uit te halen. Een continue productie zou
dus goedkoper zijn, maar dan moet men
de stroperige massa eerst vloeibaarder
maken zonder dat de schimmelproductie
erdoor omlaag gaat.
Lignine
Ook de lignine afbrekende enzymen ken­
nen nog veel uitdagingen. De groep van
Wösten kan het hiervoor coderende gen
maar moeilijk in de industriële A. niger zet­
ten, aangezien deze schimmel ze van
nature niet produceert. Wösten werkt
daarom ook aan S. commune als enzym­
producent. In 2009 publiceerde hij de DNAvolgorde, maar omdat er nog niet eerder een
witrotschimmel is veredeld, moeten nog al­
lerlei vragen worden beantwoord, zoals: bij
welke pH, temperatuur, medium en zuur­
19
stoftoevoer groeit hij goed? En hoe voer je de
productie op met genetische modificatie?
Wösten verwacht dat zijn reactor met
Schizophylum over 10 jaar kan worden op­
geschaald naar een proeffabriek.
Maar daarnaast probeert Wösten ook de
productie van A. niger op te voeren. Het
viel hem op dat in een reactor maar een
paar procent van A. nigers schimmeldra­
den enzymen produceert. “We hebben
nog geen idee hoe dat komt”, zegt hij. “Al
die miljoenen kolonies – kleine vlokjes –
zijn namelijk wel allemaal klonen. We
onderzoeken nu of schimmelkolonies on­
derling een taakverdeling hebben.”
Volgens de hoogleraar zou het uiteindelijk
het mooiste zijn als men één synthetische
schimmel maakt met de eigenschappen
van een Schizophyllum die lignine
afbrekende enzymen maakt, en van
bijvoorbeeld een A. niger die cellulases en
hemicellulases maakt.
Glycerol
De prestatie van de ethanolproducerende
gist in de fabriek in Iowa kan men ook nog
verbeteren. De TU Delft onderzoekt of dit
kan door verlaging van de glycerolaan­
maak. Nu gaat 4 procent van de suiker
gaat naar dit bijproduct, in plaats van naar
ethanol. Met een gist waarin men de bio­
chemische route naar glycerol verandert,
zou de nieuwe fabriek jaarlijks tot 6
procent meer ethanol kunnen maken.
Tenslotte zijn er nog de logistieke uitda­
gingen. De fabrieken moeten voorzien
worden van een continu stroom gehakt,
gestoomd en met enzymen behandeld
afval om de reactoren te kunnen laten
draaien. Ongeacht of dit maïsstrootjes,
rietstengels, palmbladerresten of garna­
lenschilletjes zijn, de kwaliteit moet rede­
lijk constant zijn anders lopen de reacto­
ren vast. Daartoe moeten de bedrijven nog
allerlei beslissingen nemen: van welke
boeren betrekken ze hun maïs- of rietsui­
kerafval? En zetten ze hun fabriek bij de
boeren, of juist bij de steden en havens?
Punt schat in dat over 10 jaar de eerste
fabrieken rendabel op landbouwafval kun­
nen draaien. Van Maris verwacht dat de
fabriek in Iowa meteen al “heel dichtbij
rendabel zal zitten en het niet lang zal
duren voor hij echt rendabel is.”
De eerste stappen naar fabrieken die
draaien op maïsafval zijn dus wel gezet,
maar voor winstgevende fabrieken op
algen, naaldhoutsnippers of pindanotenvel­
letjes moeten we, ondanks de grote
hoeveelheden schimmelbasen in de data­
banken, nog even wachten.
|