computermodel en microscopische afbeelding van gistcel met nanodeeltjes

Stel je voor, bakkersgist, het werkpaard van de industriële biotechnologie, loopt op zonne-energie door een coating van nano-deeltjes. Dit levert tal van nieuwe mogelijkheden op voor een biobased economie en creatieve productieprocessen gloren.

Bij het Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering hebben ze een ‘biologisch-anorganische’ hybride gemaakt; een micro-organisme dat aan de buitenkant gecoat is met nanodeeltjes van halfgeleidend materiaal. Deze anorganische coating werkt als een soort van zonnepaneel. Junling Guo en zijn collega’s gebruikten in hun experimenten bakkersgist. Een bekend organisme dat al van oudsher bij levensmiddelen bereiding wordt gebruikt, eenvoudig genetisch te modificeren is, en al veel industriële toepassingen kent.

Het concept van biologisch-anorganische hybriden is niet helemaal nieuw. In eerdere biohybride systemen werden bacteriën gebruikt, met het doel koolstofdioxide te fixeren (zoals planten dat doen tijdens fotosynthese) tot nieuwe biobrandstoffen. De halfgeleiders bleken echter vaak toxisch te zijn voor de bacteriën. Daarnaast zijn bacteriën doorgaans beperkter dan gisten in de diversiteit van stoffen die ze kunnen produceren.
In de huidige studie richtten de onderzoekers van het Wyss instituut zich op het hergebruik van moleculen waar in de cel een tekort aan is bij de productie van chemische verbindingen: NADPH. Om dit NADPH-tekort op te lossen, hebben de onderzoekers de nanodeeltjes eerst gecoat met een soort lijm om de toxiciteit voor de cel te beperken. Daarna zijn deze nanodeeltjes aan de buitenkant van de cel bevestigd en functioneren als een soort zonnepanelen. De nanodeeltjes vangen licht-energie op en stoten daarbij elektronen af aan de cel. Deze elektronen zorgen voor een verhoging van de NADPH-concentratie in de cel, waardoor de stofwisselingsprocessen efficiënter verlopen. Als test hebben de wetenschappers de gecoate gistcellen in het donker en in het licht gehouden, waarbij de cellen in het licht tot wel elf keer meer produceerden dan de cellen in het donker.

Reflectie

De snelheid waarmee nieuwe productieprocessen voor de industriële biotechnologie met behulp van genetisch gemodificeerde organismen ontstaan lijkt nog steeds groter te worden.  Er ontstaan meer ‘plug-and-play’ mogelijkheden om organismen aan te passen, door ontwikkeling van genome editing technieken. De combinatie van genetische én fysische technieken in geval van bio-hybriden brengen ook nieuwe kennisvelden samen.

Ook voor de risico’s voor mens en milieu die voor dit soort van toepassingen onderzocht en getoetst moeten worden, zijn naast risicobeoordeling van het genetisch gemodificeerde organisme, ook die van nano-deeltjes van belang. Dit betekent dat beoordeling van de veiligheid onder verschillende wettelijke kaders lijkt te vallen. Het RIVMRijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu heeft ervaring in deze beoordelingskaders en houdt ontwikkelingen als deze nauwlettend bij om te signaleren waar aanvullende kennis en informatie nodig is.