Kiezeljacht

Diatomeeën produceren kiezelskeletjes met duizenden fascinerende vormen. Hun kunst doet nanotechnologen watertanden.

Het komt sciencefiction-achtig over: genetisch gemanipuleerde micro-organismen die minuscule silicium-componenten produceren voor micro-elektronica. Toch is dat het ambitieuze project waarin de Amerikaanse bedrijven Genencor en Dow Corning zich hebben gestort. Genencor is een biotechnologiebedrijf dat zich toelegt op de productie van hoogwaardige enzymen met behulp van genetisch gemanipuleerde micro-organismen en Dow Corning is een van de wereldleiders op het gebied van de siliciumtechnologie. `Silicon biotechnology' doopten zij hun futuristische samenwerkingsprogramma, dat uit concurrentie-overwegingen met grote geheimzinnigheid is omgeven.

De Amerikaanse vice president technology van Genencor, Karl Sanford, wil er wel over praten, maar de details geeft hij niet prijs. Op het Europese hoofdkantoor van Genencor in het Leidse Bioscience-park vertelt hij waarom siliciumbiotechnologie zo aantrekkelijk lijkt: ``De chemische processen waarmee silica nu op industriële schaal gemaakt wordt zijn eigenlijk nog helemaal niet zo verfijnd. Ze vereisen een extreme pH en een hoge temperatuur en druk en zijn daardoor energieverslindend. Sponzen en diatomeeën daarentegen maken nanostructuren van silica bij een neutrale pH en milde temperatuur en druk. Daar ligt een kans voor biotechnologie.''

Daniel Morse van de University of California ondekte dat de spons Tethya aurantia simpele silica-naaldjes kan maken dankzij silicateïne-eiwitten. Het eiwit dient als nucleatiekern waarop vast silica neerslaat. Zo ontstaan rechte naaldjes van 2 millimeter lang en 30 micrometer dik. De spons gebruikt de naaldjes als verdediging tegen vijanden (wel 75 % van zijn drooggewicht bestaat uit silica-naaldjes). De naaldjes trokken de aandacht van nanotechnologen omdat zo'n microstaafje van amorf silicium een prachtige bouwsteen is die met conventionele technieken niet te verkrijgen is (review in Trends in biological sciences of biotechnology, juni 1999). Onlangs liet Morse op een congres in Eindhoven zien dat hij silicateïne uit sponsnaalden zo kon manipuleren dat het eiwit een netwerk van silicalijntjes vormde. Een chip van sponsnaalden lijkt binnen handbereik.

nanobiotechnologie

Genencor raakte geïnteresseerd toen bleek dat het silicateïne-eiwit sterk homoloog is aan het enzym cathepsine, een protease. En in proteases is het bedrijf gespecialiseerd. ``Zo kreeg onze biochemische kennis plotseling een toepassing in de nanobiotechnologie'', zegt Sanford. Genencor legde contact met Morse en liep daar de mensen van Dow Corning tegen het lijf.

De eerste siliciumbiotechnologische producten zullen volgens de Amerikaan over anderhalf jaar op de markt verschijnen, eerst in traditionele producten. Sanford: ``Silicium heeft toepassingen bij textielreiniging, persoonlijke verzorging, cosmetica en wondbehandeling. Dow Corning verwerkt siliconenproducten in verbandmateriaal en wij zouden daar enzymen aan kunnen toevoegen die de wondgenezing bevorderen.

``Verder beschikken we over een klasse lichtgevoelige biologische moleculen. Met protein engineering kunnen we die aanpassen, zodat we ze kunnen gebruiken in optische schakeleenheden en fotografische beeldtechnieken. De toepassinegn variëren van consumentenproducten tot waarschuwingssystemen voor chemische en biologische oorlogsdreiging en milieu-analyse.''

In Nederland hebben marien bioloog Winfried Gieskes en biochemicus Engel Vrieling van de Rijksuniversiteit Groningen zich ook laten inspireren door natuurlijke silica-nanostructuren. Zij kiezen echter een heel andere benadering dan Genencor. Vrieling: ``Onze bedoeling is niet om analoog aan de natuur te werken, zodat we net als diatomeeën onder milde condities amorfe silica kunnen produceren. Dat maakt de silicaproductie goedkoper en bovendien kan het silica dan op maat gemaakt worden.''

In plaats van heel precies de moleculen te gebruiken die diatomeeën inzetten bij hun skeletvorming, proberen de Groningers een soortgelijke poreuze silica-structuur te krijgen door het element te laten neerslaan met goedkope chemicaliën.

Vrieling: ``Het hoeft niet een mooie morfologie te hebben zoals de intrigerende skeletjes in de natuur, als het maar een nuttige toepassing heeft.'' Vrieling en Gieskes werken samen met chemiereus DSM.

Amorfe silica heeft zeer uiteenlopende toepassingen, vertellen de onderzoekers. Het verschilt van zeoliet, de kristallijne vorm van silica, in zoverre dat het poreus is en biologisch afbreekbaar. ``De silicamarkt is een miljarden-business. Diatomeeën-aarde, bestaande uit fossiele diatomeeënskeletjes, wordt al sinds 1900 gebruikt. Nobel gebruikte het al om TNT te stabiliseren. Het is een uitstekend drager- en absorptiemateriaal, veel gebruikt in de chromatografie.In een normaal huishoudelijk product als tandpasta zit bijvoorbeeld 30% silica. Het dient als schuurmiddel maar ook als bindmiddel, anders zou de tandpasta zo van de borstel aflopen. In `groene autobanden' zit silica als vervanger van roet; dat drukt het energieverbruik van auto's en vergroot de levensduur van de band. En bier wordt ondermeer met silica geklaard.''

Silaffines

Diatomeeën worden wijd en zijd gebruikt, maar over de fysisch-chemische eigenschappen van silicavorming is nog maar weinig bekend. De groep van Manfred Sumper aan de universiteit van Regensburg identificeerde pas onlangs enkele eiwitten die betrokken zijn bij de vorming van het silicaschaaltje van de diatomee Cylindrotheca fusiformis (Science, 29 maart). Anders dan het grote sillicateïne-eiwit die de sponsnaalden vorm geven, ging het hier om kleine eiwitten die Sumper silaffines noemde.

Sumpers groep beschreef vorige week hoe sillafines er in hun natuurlijke configuratie uitzien (Science, 18 okt). Aan elf van de vijftien aminozuren van het eiwit silaffine 1-A hangen geïoniseerde zijgroepen. De moleculen vormen aggregaten, met positief en negatief geladen domeinen waarop het silica neerslaat.

Eerder formuleerden Vrieling en Gieskes samen met partners van de Eindhovense katalysegroep (Rutger van Santen en Theo van Beelen) een theoretisch model hoe diatomeeën hun silicaskelet vormen (Angewandte Chemie, 7 maart). In een speciaal celorganel van de alg klontert kiezelzuur (opgelost silicium) samen met kleine biopolymeren, de silaffinen en polyaminen. Dan verschijnen er grotere moleculen (mogelijk eiwitten) op het toneel, die zowel aan de siliciumpartikel als aan elkaar hechten. Zo ontstaat een driedimensionale structuur. Tenslotte verdwijnen de eiwitcomplexen, waardoor een skeletje met een karakteristiek patroon van gaatjes, groeven en richels achterblijft.

Gieskes: ``Er is een kolossaal bereik aan pore-groottes per diatomeeënsoort. Er zijn wel honderdduizend soorten, die allemaal verschillende silica-skeletjes hebben. Het hangt er helemaal vanaf welke eiwitten of polypeptiden bij de silicavorming betrokken zijn.''

Vrieling en Gieskes hebben tot nu toe vooral mooie resultaten verkregen met varianten van het polymeer poly-ethyleenglycol (PEG). Vrieling: ``Deze polymeren hebben hydrofiele en hydrofobe uiteinden. Ze leveren gladde, holle silicabolletjes op, in grootte ongeveer vergelijkbaar met de kleinste diatomeeën. Maar PEG is in verschillende molecuulgewichten verkrijgbaar, waardoor je de diameter kan variëren. Dat het niet precies is zoals de natuur, is niet zo erg. Wij redeneren vanuit de grootschalige silicaproductie met goedkope grondstoffen.''

    • Sander Voormolen