Supergist krijgt energie van eigen ‘zonnecollectoren’

Biotechnologie

Het werkpaard van de bioprocesindustrie, bakkersgist, kan met een coating van de halfgeleider indiumfosfide nog veel harder werken.

Links het model van een gistcel met halfgeleiders, rechts de elektronenmicroscopische foto van de werkelijke biohybride. Beeld Wyss Institute at Harvard University

Bakkersgist met eigen zonnepanelen kan lichtenergie benutten voor extra productie – half leven, half machine. Wetenschappers van het Wyss Institute in Boston ontwikkelden deze ‘biohybride’ en publiceerden er donderdag over in het wetenschappelijke tijdschrift Science. Ze willen met deze ‘verbeterde gist’ complexe organische stoffen en grondstoffen voor medicijnen maken. Het is dus niet bedoeld om brood te maken.

Onder leiding van chemisch en biologisch ingenieur Neel Joshi van het Wyss Institute ontwierpen de onderzoekers een biohybride gist die extra veel shikiminezuur produceerde. Shikiminezuur (of shikimaat) is een grondstof voor de productie van de virusremmer Tamiflu. De onderzoekers voorzagen gistcellen van een coating met nanodeeltjes van de halfgeleider indiumfosfide. Die deeltjes kunnen elektronen vrijmaken als er licht op schijnt. De gistcel kan die elektronen als alternatieve energiebron benutten. Vooral bij de laatste reactiestap om uit glucose shikimaat te produceren zijn de elektronen nodig.

‘Proof of concept’

„Met de extra boost van lichtenergie produceerde onze gist per cel drie tot vier keer zoveel shikiminezuur in vergelijking tot een gewone gistcel”, licht hoofdonderzoeker Joshi per mail toe. „We hebben octrooi aangevraagd op onze methode, maar dit is nog maar een proof of concept.”

Lees ook: ‘Een cel kun je alleen samen bouwen’

Om de omzetting naar shikimaat extra efficiënt te maken, schakelden de onderzoekers de natuurlijke elektronenleverancier van de cel uit met genetisch manipulatie. Deze pentosefosfaatroute breekt glucose af om elektronen te genereren, maar als die elektronen al door de zonnepanelen worden geleverd, is dat overbodig, en kan beter alle glucose benut worden voor extra shikimaatproductie. En zo bleek het inderdaad te werken.

Joshi verwacht dat biohybriden bij de productie van andere stoffen nog meer voordeel zullen opleveren. Als voorbeeld noemt hij de productie van morfine-achtige stoffen. „Om deze stoffen door gist te laten maken zijn er tot wel tien keer zoveel elektronen nodig. Een externe bron van elektronen die door licht worden vrijgemaakt kan de productie van de gewenste stoffen een flinke boost geven.”

Nog niet rijp voor industrie

„Wetenschappelijk vind ik het intrigerend”, reageert Jack Pronk, hoogleraar industriële biotechnologie aan de TU Delft. „Dit onderzoek had ik best zelf willen doen.” Maar in deze vorm is de techniek nog lang niet rijp voor industriële toepassing, tekent hij aan. „Dit proces werkt wel, maar heeft ook een organische elektrondonor in de kweekvloeistof nodig, waaruit de indiumfosfidedeeltjes, onder invloed van licht, elektronen vrijmaken. De onderzoekers noemen aminozuren als mogelijke kandidaten voor deze rol van elektrondonor. De benodigde hoeveelheid van deze moleculen gaat gelijk op met het aantal elektronen. Dat maakt het proces industrieel gezien weinig rendabel. Het wordt pas economisch interessant als je water, mierenzuur of een andere eenvoudige verbinding als elektrondonor kan gebruiken. Dat gaat niet met indiumfosfide.”

Volgens Joshi uit Boston zijn er nog genoeg verbeteringen mogelijk. „We denken dat we daar iets aan kunnen doen door andere lichtbronnen te gebruiken of andere halfgeleiders te kiezen. Bij een hogere lichtintensiteit loopt de productie van shikimaat ook terug, mogelijk ontstaan door licht giftige bijproducten, bijvoorbeeld reactieve zuurstofverbindingen. Daar moeten we ook nog aan werken.”

Duurzame brandstof

Biohybriden werden twee jaar geleden voor het eerst samengesteld. Toen lukte het Amerikaanse onderzoekers uit Berkeley om ‘kunstmatige fotosynthese’ te bewerkstelligen door micro-organismen uit te rusten met halfgeleiders als zonnecollectoren. Die waren echter gemaakt van cadmiumsulfide, en cadmium is in tegenstelling tot indium een zeer giftig metaal. Niettemin toonden die onderzoekers aan dat de biohybride bacterie Moorella thermoacetica die zij gemaakt hadden in het licht veel meer kooldioxide kon vastleggen in de vorm van azijnzuur. Dat was het eerste bewijs dat elektrische energie van halfgeleiderkristallen op het celoppervlak benut kon worden door micro-organismen. En begin dit jaar publiceerden Chinese onderzoekers in het blad Science Advances over een biohybride Escherichia coli-bacterie die met cadmiumsulfide aan het oppervlak zonlicht kon omzetten in energie om waterstof te produceren. Dat zou een nieuwe manier kunnen opleveren om duurzame brandstof te produceren.

Het team van Joshi heeft het biohybride-principe nu vertaald naar bakkersgist, een van de werkpaarden van de bioprocesindustrie. Omdat de genetica van gist goed onderzocht is, en belangrijke biochemische processen in de cel nauwkeurig in kaart zijn gebracht, is dit organisme vrij eenvoudig te ‘tweaken’ om het uiteenlopende organische moleculen te laten maken. Een biohybride geeft meer mogelijkheden, was Joshi’s gedachte.

Roet in het eten

Gist is een schimmel en heeft een ander soort celwand dan bacteriën. Dat had roet in het eten kunnen gooien, omdat die mogelijk minder doordringbaar zou zijn voor de elektronen. Maar het team van Joshi voorzag de indiumfosfidekristallen van een laagje polyfenol, waardoor de korreltjes zich efficiënt aan de buitenkant van de gistcellen hechtten. Hoe de elektronen van buitenaf de cel in kunnen komen is nog een raadsel. „Hierover speculeren de auteurs wel, maar er zijn geen harde data”, zegt Pronk. „Interessant om verder in te duiken!”

    • Sander Voormolen