Synthetisch zetmeel uit het lab is efficiënter dan plant

Organische Scheikunde Veel efficiënter dan een plant kunnen chemici nu synthetisch zetmeel maken. Industriële productie is nog niet in zicht.

Lepel met maïszetmeel. Chinese onderzoekers kunnen in het lab kunstmatig zetmeel maken via een efficiënte, snelle route.
Lepel met maïszetmeel. Chinese onderzoekers kunnen in het lab kunstmatig zetmeel maken via een efficiënte, snelle route. Foto RHJ

Eten we in de toekomst zetmeel uit een lab in plaats van uit planten? Als het aan biochemici van het Tianjin Instituut voor Biotechnologie (China) ligt wel. Zij ontwikkelden een methode om kunstmatig zetmeel te produceren uit CO2 en waterstof. Op die manier produceren ze zetmeel 8,5 keer zo snel als maïs dat op een natuurlijke manier doet. Hun resultaten presenteren ze deze donderdag in Science.

Zetmeel is een koolhydraat. Het is een biologisch polymeer (polysacharide) bestaande uit ketens van amylose en amylopectine, die in het lichaam worden afgebroken tot glucose. Belangrijke bronnen van zetmeel zijn onder andere aardappelen, granen (waaronder maïs), rijst en peulvruchten.

Zelf zetmeel maken

Voedingstechnologen verhogen het zetmeelgehalte van gewassen met veredeling of genetische modificatie. Maar de onderzoekers uit Tianjin willen de plant overslaan en zélf zetmeel maken in het lab, omdat zij natuurlijke productie te inefficiënt vinden. De natuurlijke productie van zetmeel door planten is het resultaat van miljarden jaren aan natuurlijke selectie, waardoor processen zo complex zijn geworden dat ze moeilijk te optimaliseren zijn. Zo bestaat de zetmeelproductie in groene planten soms uit wel 60 reactiestappen. De productie van zetmeel wordt verder beperkt doordat fotosynthese, waarbij zonlicht wordt omgezet in bruikbare energie, inefficiënt is.

Lees ook: Dit stuk over de inefficiëntie van fotosynthese

De Chinese biotechnologen benaderden de synthese van zetmeel als programmeerklus. Ze deelden het proces op in vier verschillende deelprocessen (modules) met als resultaat een steeds grotere en complexere koolstofverbinding. In deze stappen wordt CO2 via methanol of methaanzuur omgezet naar zetmeel. Als energiebron gebruiken de onderzoekers zonne-energie, net als de planten.

Met behulp van een computerdatabase met duizenden chemische reacties ontwierpen de onderzoekers elf verschillende productiemodules voor vier processen. De deelprocessen kunnen dus op verschillende manieren plaatsvinden. Ze maakten gebruik van 62 verschillende enzymen uit 31 organismes om de reacties mogelijk te maken. Ze kozen de beste combinaties van modules en testten deze in het lab. Niet iedere combinatie van modules bleek te werken, soms werkten verschillende enzymen elkaar tegen.

Tien reacties

Uiteindelijk kozen de onderzoekers voor een route waarbij methanol in zetmeel wordt omgezet via tien reacties. De processnelheid wordt uitgedrukt in de hoeveelheid koolstof die per minuut wordt omgezet in zetmeel, gedeeld door de totale hoeveelheid enzymen die voor het proces nodig zijn. In dit synthetische proces is die snelheid 8,5 keer zo groot als in maïs. Ook gaat het 3,5 keer zo efficiënt om met zonne-energie als een plant.

Het synthetische zetmeel is nog niet geschikt voor productie op industriële schaal, zegt Yanhe Ma, co-auteur van de studie, per mail: „Het geproduceerde zetmeel is in molecuulstructuur identiek aan natuurlijk zetmeel uit planten, dus het is veilig om te eten. En wij hebben deze productiemogelijkheid nu in het lab aangetoond, maar door de hoge prijs zal het voorlopig nog niet beschikbaar zijn voor consumenten. Wel denk ik dat we in de toekomst vanuit de noodzaak om CO2-uitstoot te reduceren veel synthetisch voedsel zullen eten, zoals ook kweekvlees nu al opkomt.”

Luisa Trindade, hoogleraar plantveredeling aan de Wageningen Universiteit en niet betrokken bij het onderzoek, is enthousiast: „Voor mij als plantgeneticus is dit een interessante studie die meer inzicht biedt in de manier waarop zetmeel geproduceerd wordt in een plant.” Over het toekomstperspectief van synthetisch voedsel is nog weinig te zeggen volgens haar: „De toekomstige verhouding tussen biologisch en synthetisch geproduceerd voedsel hangt af van drie factoren: de grondstoffen die nodig zijn voor de productie, de milieu-impact en het kostenplaatje."