Overal alcohol

Bio-alcohol kan efficiënter en uit veel meer grondstoffen geproduceerd worden dankzij een enzym dat Nederlandse onderzoekers isoleerden uit een schimmel afkomstig uit een olifantenkeutel.

EEN SCHIMMEL uit de darm van een Indische olifant gaat mogelijk een bijdrage leveren aan duurzame energievoorziening. Dat onverwachte verband is de uitkomst van microbiologisch en genetisch onderzoek aan de universiteit van Delft en Nijmegen. Ook de bedrijven Koninklijke Nedalco en Bird Engineering waren bij het project betrokken. De onderzoekers brachten de genetische code van een enzym uit de olifantendarmschimmel over naar bakkersgist, waardoor deze in staat is behalve gangbare suikers ook de houtsuiker xylose in alcohol om te zetten.

De vinding is van groot belang voor de productie van bio-alcohol uit plantaardige grondstoffen, want het betekent een enorme verbreding van het arsenaal aan beschikbare grondstoffen voor de productie van biobrandstoffen. Xylose komt bijvoorbeeld in hoge gehaltes voor in snelgroeiende gewassen als wilg, populier en (olifants-)gras. Ook het organisch afval van de suikerverwerkende industrie in de vorm van bierbostel, bietenpulp en tarwegries bevat veel xylose.

Bakkersgist Saccharomyces cerevisiae kan snel en met hoge opbrengst alcohol produceren uit gangbare suikers als saccharose (biet- of rietsuiker) en maltose (moutsuiker). Xylose daarentegen is van nature slecht verteerbaar voor gist. De afbraak ervan door gist begint met twee biochemische omzettingen die slecht aansluiten op de rest van de suikerstofwisseling. Daardoor is het onmogelijk met gewone bakkergist een hoge alcoholopbrengst uit xylose te verkrijgen.

Microbiologen proberen om die reden al meer dan twintig jaar bakkersgist via genetische manipulatie te voorzien van een enzym dat deze eerste twee biochemische omzettingen in één stap kan bewerkstelligen. Jack Pronk van het Kluyver Laboratorium voor biotechnologie, Technische Universiteit Delft: ``We dachten tot voor kort dat het benodigde enzym xylose-isomerase alleen voorkwam in organismen zonder celkern, prokaryoten geheten, en niet in organismen met een celkern, eukaryoten. Als bron voor xylose-isomerase wendden microbiologen zich daarom altijd tot bacteriën. Maar als het betreffende gen werd overgebracht naar gist, dan gaf dat altijd problemen. Genen uit prokaryoten leveren in eukaryoten zoals gist niet voldoende xylose-isomerase op.''

Microbiologen van de Katholieke Universtiteit Nijmegen ontdekten de schimmel die xylose kan verteren begin jaren negentig in de poep van een Indische olifant in de Londense dierentuin. ``We waren op zoek naar micro-organismen die in plantenetende een cruciale rol spelen bij de vezelafbraak'', vertelt Huub op den Camp van de Nijmeegse groep. ``Bij herkauwers als koeien zitten zulke micro-organismen in de pens. We wilden het ook eens bekijken bij olifanten, omdat de vezelafbraak daar pas achter in de darm plaatsvindt. Toen stuitten we op een heel primitieve schimmel, Piromyces E2, die superactief was in de vezelafbraak en houtsuiker kon omzetten.''

Toen bleek dat er toch een eukaryoot bestond met het enzym xylose-isomerase, namelijk de in Nijmegen ontdekte Piromyces-schimmel, hebben Nijmeegse en Delftse onderzoekers geprobeerd het gen daarvan in gist in te bouwen. Met succes.

hoge snelheid

Vervolgens hebben de Delftenaren het rendement van de gist verder opgevoerd door `gestuurde evolutie'. Daarbij kweekten de onderzoekers de gistcellen enige maanden met xylose als voedingsstof. Vervolgens pikten zij er spontane mutanten uit die een zeer hoge alcoholopbrengst hadden en de xylose met hoge snelheid konden omzetten. ``We waren verrast hoe makkelijk dat ging,'' zegt Pronk. ``De genetisch gemodificeerde gist kan nu dankzij het extra schimmelgen xylose omzetten in alcohol met hetzelfde rendement als waarmee de gist glucose kan omzetten. Op dit moment onderzoeken we met behulp van DNA-chips welke genetische veranderingen precies verantwoordelijk zijn voor de hoge opbrengsten.''

Pronk en zijn collega's presenteerden hun onderzoeksresultaten in mei vvan dit jaar op het Symposium on Biotechnology for Fuels and Chemicals in de Verenigde Staten, georganiseerd door het Oak Ridge National Laboratory. ``We werden haast onder de voet gelopen door belangstellenden die er alles over wilden horen. Dit is echt een doorbraak waar lang op is gewacht'', vertelt Pronk trots.

suikermelasse

Alcoholproducent Koninklijke Nedalco uit Bergen op Zoom bezit het octrooi op de Nijmeegs-Delftse vinding. Nedalco maakt via vergisting alcohol uit suikermelasse voor diverse toepassingen, waaronder voeding. Woordvoerder Martin Weissmann van Nedalco zegt dat zijn bedrijf niet van plan is om de xylose-vergisting toe te voegen aan het huidige productieproces. Wel ziet het mogelijkheden de technologie in de toekomst toe te passen in de productie van bio-ethanol. ``In de Europese Unie is in mei 2003 wetgeving in de maak die het gebruik van bio-ethanol als duurzame brandstof ondersteunt. Dat maakt het voor ons interessant ons in deze nieuwe branche te ontwikkelen.''

Om houtachtige biomassa, zoals wilgen, te laten vergisten is wel een voorbewerking nodig. ``Het hout moet in hele kleine stukjes worden gemalen om de xylose vrij te maken'', zegt Weissmann. ``Soms zit het ook verpakt in cellulose en dan moet het eerst enzymatisch behandeld worden. Amerikaanse bedrijven zijn al heel ver in de ontwikkeling van die voorstappen. Het meest ideaal zou zijn als wij de handen ineen konden slaan.''

Volgens Weissmann zal het nog minstens tot 2020 duren voordat het proces een brede toepassing kan krijgen. ``We beginnen met een kleinschalig experiment en later volgt mischien een proeffabriek. Het hangt er allemaal sterk vanaf of ook de Nederlandse regering om bio-alcohol te stimuleren. Zo ja, dan kunnen we met benzine concurreren. Anders zijn we gedwongen ons octrooi te verkopen aan de Amerikanen.''