Bladgroen 2.0

Lichtantennes van bacteriën zien eruit als minuscule boomstammen. Dat inzicht kan helpen bij het maken van kunstbladeren. Margriet van der Heijden

De Chlorobacidum-bacterie leeft onder de koek biomassa in meren en hete bronnen in Yellow Stone park en benut daar zelfs de kleinste spoortjes licht. FOTO Jupiter images De Chlorobacidum-bacterie leeft onder de koek biomassa in meren en hete bronnen in Yellow Stone park en benut daar zelfs de kleinste spoortjes licht. (FOTO Jupiter images) Jupiterimages

Het klinkt bijna romantisch: kunstbladeren. Grote, door mensen gemaakte bladeren, geïnspireerd op de natuur maar beter. Met bladgroen 2.0, zeg maar. De kunstbladeren moeten zo nog efficiënter doen wat planten doen: zonlicht omzetten in energie en daarna die energie opslaan in handige energiedragers. Niet in de suikers die planten voor zichzelf aanmaken, maar in brandstoffen voor mensen zoals waterstof, ethanol en methanol.

Het klinkt ook als sciencefiction. Maar de European Science Foundation, een adviesorgaan voor de Europese Unie, schreef vorig jaar in een rapport dat het een ‘very important strategy’ betreft. Voor de ‘heel lange termijn’, dat wel. Bijvoorbeeld omdat je de natuur eerst moet begrijpen als je haar wil namaken – en dat is lastig.

“De natuur heeft toch iets bijzonders”, zegt biofysicus prof. dr. Huub de Groot in zijn ruime werkkamer in het Gorlaeuslab van de Universiteit Leiden. “Als materiaalkundigen een structuur maken dan is die rigide, ordelijk. Maar in de natuur zijn structuren flexibel en de bouwstenen ervan, de moleculen, zijn losjes gerangschikt. Zodat er ruimte is voor verandering; voor aanpassing aan de omstandigheden.”

ROMMELIGHEID

Dat is mooi en dat is handig, maar het zorgt ook voor rommeligheid. En die verhult soms heel lang de onderliggende structuur. Neem de zwavel consumerende bacterie Chlorobacidum tepidum. Jarenlang hebben De Groot en zijn collega’s de ‘lichtantennes’ (chlorosomen) bestudeerd die als rijstkorrels vlak onder de huid van deze bacterie liggen. “Ruzies zijn er over geweest”, zegt hij. “Mensen zijn vergaderingen uitgelopen omdat ze het niet eens werden over de structuur ervan.” Pas door de inzet van een batterij geavanceerde technieken – gentechnologie, NMR, elektronenmicroscopie bij lage temperaturen – is die structuur eindelijk door De Groot en collega’s opgehelderd (Proceedings of the National Academy of Siences, 4 mei 2009).

Dat biofysici bacteriën bestuderen voor het onderzoek naar kunstbladeren, is minder vreemd dan het klinkt, legt De Groot uit. “Planten zijn er in wezen niet op gebouwd om licht heel efficiënt in energie om te zetten. Planten kampen met een gebrek aan van alles – aan ijzer in het water, aan stikstof op het land, aan water in de woestijn –, maar licht krijgen ze bijna altijd meer dan genoeg. Het hele fotosyntheseproces waarmee planten licht omzetten in energie is er dus op gericht om juist een groot deel van het licht te negeren. Om zo te voorkomen dat het proces overstuurd raakt door te véél licht.”

Maar de Chlorobacidum leeft op de oceaanbodem met tot wel honderd meter water erboven. Of onder een dikke koek biomassa in de warme meren in het Yellow Stone Park in de Verenigde Staten. Op plaatsen dus waar nauwelijks licht doordringt. Waar elk lichtdeeltje er één is.

De lichtantennes van de bacteriën zijn daar helemaal op ingespeeld. De langwerpige zakjes zijn gevuld met tot 250.000 chlorofylmoleculen die licht opvangen, het in elektromagnetische energie omzetten en daarna die energie razendsnel (binnen een miljardste seconde) naar de huid van de bacterie brengen. Daar worden dan chemische reacties in gang gezet – vergelijkbaar met het fotosyntheseproces in planten.

Die lichtantennes, laat De Groot zien, lijken op boomstammen. Ze zijn opgebouwd uit steeds grotere concentrische cilinders (van bovenaf gezien: ringen). Elke cilinder bestaat uit een schuin omhoog spiraliserende keten van losjes gekoppelde chlorofylmoleculen. En elke keten kan energie uit het licht opnemen en razendsnel naar de bacteriehuid afvoeren.

De Groot en zijn collega’s ontdekten de structuur in een in de Verenigde Staten gemaakte, genetische gemanipuleerde variant van de bacterie. Een nettere variant. “In de ‘wilde’ bacterie uit de vrije natuur, liggen de ketens veel slordiger door elkaar. Dat komt doordat de wilde exemplaren drie extra genen hebben die indien nodig verschillende typen zijketens aan de chlorofylmoleculen kunnen plakken.” De zijketens bepalen voor welke golflengtes het chlorofyl gevoelig is: meer variatie in de zijketens maakt de lichtantennes gevoelig voor een bredere golflengteband (maar wel steeds in het rode licht).

Valt zo’n ingenieuze structuur na te maken? “Niet precies”, zegt De Groot. In kunstbladeren zullen de lichtantennes er wellicht uitzien als uitgerolde boomstammen die plat op het oppervlak liggen. “Maar we kunnen elementen afkijken van de bacterie. De chlorofylmoleculen losjes op dezelfde manier aan elkaar rijgen bijvoorbeeld, en met de zijketens ervan spelen.”

PROEVEN

Binnenkort beginnen de eerste proeven met door de bacterie geïnspireerde lichtantennes die op een ‘doosje’ zijn geplakt, zegt De Groot. De energie die de lichtantennes razendsnel aanleveren wordt daarin gebruikt om elektronen vrij te maken en die gedurende minstens een duizendste seconde te bewaren.

De vrije elektronen zorgen voor een elektrische stroom die twee katalysatoren aandrijft. De eerste splitst water in zuurstof en waterstofkernen (protonen). De tweede maakt uit die protonen waterstofgas (H2). Of, door kooldioxide toe te voegen: ethanol en methanol.

Niet gemakkelijk, beaamt De Groot. Doordat de tijdschalen van de verschillende processen enorm uiteen lopen, zijn ze lastig efficiënt – zonder verliezen – te koppelen. En er moet nog veel meer aan de lichtantennes gesleuteld worden om ze genoeg energie te laten leveren om water mee te splitsen. Als ze slechts gevoelig zijn voor rood licht gaat dat niet.

Maar toch, denkt De Groot, is het zinnig om te investeren in onderzoek naar kunstbladeren. “We moeten er op den duur naartoe, denk ik, dat we kleinschalig, lokaal en schoon brandstoffen kunnen produceren. Kunstbladeren zijn daarvoor een optie.”

    • Margriet van der Heijden