Het kopje naar de zon; Elke plant is een milieuvriendeljke biochemische fabriek

De plant wordt herontdekt als een op zonne-energie draaiende fabriek. Via genetische manipulatie kan een plant de gewenste suikers, plastics, olie of dierlijke antilichamen maken.

'PLANTEN HEBBEN een spectaculaire capaciteit voor het maken van biomoleculen”, zegt dr. Arjen van Tunen, hoofd van de afdeling Celbiologie van het Wageningse DLO-Centrum voor Plantenveredelings- en Reproduktieonderzoek (CPRO-DLO). Onlangs organiseerde het instituut een themadag over 'De plant als fabriek'. Van Tunen: “Je kunt een gewas op twee manieren gebruiken. Als fabriek voor bulkproductie, dus the plant as plant. En als bron voor interessante genen.”

Planten beleven een revival. Gedreven door de noodzaak van milieuvriendelijke productiemethoden nemen planten steeds meer functies over van de (petro)chemische industrie die de productie van onder andere verfstoffen, olie, vezels en medicijnen in de loop van deze eeuw juist had overgenomen van de plantverwerkende industrie. Planten zijn volledig op zonne-energie draaiende biochemische fabrieken, waarvan zowel product als afvalstoffen biologisch afbreekbaar zijn.

Met moleculaire veredeling zijn biosyntheseroutes in planten te sturen. Van Tunen: “Die routes zijn vaak minder complex dan het lijkt. Planten werken, net als de chemische industrie, met eenvoudige verbindingen als bouwstenen. Die worden door enzymen aan elkaar geschakeld tot ingewikkeldere structuren, waarna andere biokatalysatoren nog zijketens kunnen toevoegen.” Door enzymen op bepaalde punten in zo'n productieketen te blokkeren of door nieuwe enzymen toe te voegen, is het eindproduct te beïnvloeden.

Zo stuurt men bij het CPRO-DLO het suikermetabolisme in bieten. De planten maken niet langer sucrose als energiereserve, maar fructaan. Dit suikermolecuul is opgebouwd uit lange ketens van fructose-eenheden. Ze kunnen onder andere worden gebruikt als natuurlijke vezels en als laag-calorische zoetstof in voedseladditieven. Met slechts twee extra enzymen kon een suikerbiet gemaakt worden die zo'n tien ton fructaan per hectare levert. Het voordeel van deze aanpak, in plaats van het opschalen van de fructaansynthese in een plant die de stof van nature maakt, is dat er al een complete agrarische en industriële keten beschikbaar is voor het produceren en verwerken van suikerbieten.

METABOLE ROUTE

Ook aan de metabole route van de erwtensoort Cicer arietinum wordt gesleuteld, zo bleek tijdens het congres van de International Society of Plant Molecular Biology (ISPMB) dat onlangs in Singapore werd gehouden. Een Indiase onderzoeksgroep, onder leiding van dr. Guha-Mukherjee, probeert de voedingswaarde van de erwtensoort te verhogen. In veel ontwikkelingslanden is deze erwt de voornaamste bron van eiwitten, maar hij mist een aantal essentiële aminozuren. De erwt werd verrijkt met een gen voor het enzym threonine deaminase. De nieuwe erwtenvariëteit bevat veel hogere concentraties van de aminozuren threonine, methionine en lysine. Met deze plant hopen de Indiase onderzoekers bepaalde gebreksziektes onder de arme bevolking te kunnen tegengaan.

Hot topics in de plantenveredeling zijn ook de zogenoemde tailor-made zetmelen, suikers en olieEËn, die precies voldoen aan de eisen van de verwerkende industrie. Zoals de amylose-vrije aardappel. Door het blokkeren van het enzym GBSS (granule-bound starch synthase) maakt de aardappel alleen nog amylopectine, een sterk vertakt glucosepolymeer. Het lijnvormige amylose wordt niet meer gevormd. Amylose zorgt bij hoge temperaturen voor ongewenste vertroebeling en klontering en dat bemoeilijkt de verwerking in bindmiddel of in soep-uit-een-zakje.

Een bulkproduct, waarmee boeren kunnen gaan concurreren met de petrochemische industrie, is goudsbloemolie voor het maken van verf. De verfindustrie verwacht dat de overheid in de nabije toekomst maatregelen zal nemen tegen het gebruik van de zeer giftige, organische oplosmiddelen in verf. Een vervanger hiervoor moet snel drogen, niet vergelen en helder zijn. Bovendien moeten aanvoer en kwaliteit constant zijn en dient de prijs laag te blijven. Momenteel wordt geëxperimenteerd met Chinese houtolie. Dat voldoet aan alle fysische vereisten, maar de prijs is te hoog en fluctueert te veel. Onderzoek bij CPRO-DLO wees uit dat calendula-olie, dat wordt gewonnen uit het zaad van goudsbloemen, aan alle eisen van de verfindustrie voldoet. Bovendien kan goudsbloem in Nederland geteeld worden, wat de landbouw een bijzonder welkom vierde gewas (naast aardappel, biet en tarwe, de economisch interessantste gewassen) kan opleveren.

Dr. Hans Marvin van het Wageningse onderzoeksinstituut wil de goudsbloem met klassieke veredelingsmethodes verder verbeteren: “De zaden van onze beste variëteit bevatten nu maximaal twintig procent calendula-olie. Omgerekend is dat een kleine zeshonderd kilo per hectare gewas. Daarmee zitten we op de grens van wat economisch haalbaar is. In het jaar 2000 hopen we dat opgeschroefd te hebben tot achthonderd kilo per hectare, dan zal de olie twee dollar per kilo kosten.”

Ook niet plant-eigen stoffen kunnen in de toekomst door akkerbouwers geleverd worden, maar Van Tunen maakt daarbij wel een kanttekening: “Planten zijn niet altijd het beste productiesysteem. Soms zullen micro-organismen, dierlijke cellijnen of zelfs transgene dieren een betere keus zijn. Planten zijn vooral geschikt als het gaat om low-cost bulkmoleculen - zetmeel, suikers, olieEËn - of om unieke componenten; fijnchemicaliën die moeilijk synthetisch te maken zijn zoals steroïden en geurstoffen.”

PLANTIBODIES

Niet plant-eigen moleculen zijn bijvoorbeeld de plantibodies: door planten geproduceerde, dierlijke antistoffen (in het Engels antibodies). Onderzoek hiernaar werd enkele jaren geleden geïnitieerd als een nieuwe mogelijkheid voor het verbeteren van de weerstand van landbouwgewassen tegen ziektes en plagen. Het dierlijke immuunsysteem is veel flexibeler dan de natuurlijke afweer van planten. Zoogdieren kunnen in korte tijd specifieke antistoffen maken tegen praktisch alle niet-lichaamseigen stoffen, ook als ze er nog nooit eerder mee in aanraking zijn gekomen. Planten moeten het doen met een vaste set resistentiegenen. Komt er een ziekteverwekker langs die niet door één van die genen wordt herkend, dan heeft de plant geen enkele afweer.

Onderzoekers van de Wageningse universiteit en het CPRO-DLO laten dierlijke cellijnen antistoffen maken tegen het aardappelaaltje, een pathogeen dat aardappelmoeheid veroorzaakt. De genen die betrokken zijn bij de aanmaak van die antistoffen worden vervolgens overgebracht naar de plant. De antilichamen zijn gericht tegen speekseleiwitten van de ziekteverwekker. In de interactie tussen plant en aaltje dwingt dit speeksel de plant tot het afgeven van voedsel.

Dr. Dirk Bosch, die leiding geeft aan dit onderzoek, ziet meer mogelijkheden voor antilichamen in planten: “De werking van dergelijke antilichamen is niet te onderscheiden van die in een muis. In planten kunnen antistoffen in grote hoeveelheden geproduceerd worden, op dit moment zo'n 30 kilo per hectare. Dat maakt ze interessant voor industriële toepassingen, zoals het zuiveren van stoffen uit complexe mengsels.”

Andere opties zijn het eetbare vaccin en zogeheten orale immunisatie, het toevoegen van een antilichaam aan het voedsel. De achterliggende gedachte is dat de bevolking van vooral ontwikkelingslanden, waar infectieziektes nog massaal slachtoffers maken, via het voedsel geïmmuniseerd kan worden. Door een vrucht als banaan te gebruiken kan de meest kwetsbare groep, baby's en kleine kinderen, worden bereikt. Orale immunisatie geeft tijdelijk bescherming tegen ziekteverwekkers. Een eetbaar vaccin zet het eigen immuunsysteem aan tot het maken van afweerstoffen en resulteert in permanente afweer. Dirk Bosch: “Dit is een heel nieuw onderzoeksgebied, waar nog veel problemen aan kleven. Zo moet je zorgen dat het vaccin, een eiwit, intact het spijsverteringsstelsel passeert. We werken nu aan een modelsysteem met een vaccin voor een virusziekte om oplossingen te vinden voor dergelijke knelpunten.”

Het eetbare vaccin zal nog wel even op zich laten wachten, maar veel andere toepassingen kunnen in de komende vijf jaar werkelijkheid worden. Producten uit de plantaardige fabriek zullen soms wat duurder en soms wat goedkoper uitvallen dan hun synthetische tegenhangers, maar in ieder geval is er winst voor het milieu.