Doorbraak: Israëlische onderzoekers voeren bacteriën CO2 om broeikasgassen op te vangen

Ter illustratie. Screenshot Weizmann Instituut

Het menselijk ras staat voor enkele van de grootste uitdagingen in zijn geschiedenis. Eén daarvan is hoe er zorg voor te dragen dat er voldoende voedsel en energie is voor ongeveer 8 miljard mensen, te midden van de klimaatcrisis. Door deze crisis, twijfelen velen over het vermogen van de mensheid om door te gaan met reproduceren en tegelijkertijd de kwaliteit van leven te verbeteren, of zelfs op het huidige niveau te behouden, en natuurlijk het voorkomen van rampen die miljoenen levens leed kan veroorzaken.

Of de mensheid deze uitdaging met succes kan aangaan, en hoe, zijn nog open vragen. Maar alle experts beseffen dat we ons daarvoor eerst moeten ontdoen van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen, die, wanneer verbrand, de concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer verhoogt, het broeikaseffect verhoogt en leidt tot destructieve opwarming van de aarde. Om onze afhankelijkheid van olie, kolen en gas te verminderen, moeten we onze levensstijl duidelijk gaan veranderen. Maar er is ook hoop dat wetenschappers ons in de richting van de productie van hernieuwbare energiebronnen kunnen brengen, waarvan de schade voor het milieu veel lager zal zijn.

Een nieuw onderzoek van het Weizmann Institute of Science in Israel, heeft een doorbraak opgeleverd in de productie van een brandstof waarvan de ‘milieukosten’ laag zijn. Wetenschappers zijn erin geslaagd bacteriën van suiker te spenen en ze alleen te voeden met de koolstofdioxide uit de lucht om hen heen, in een combinatie van genetische manipulatie en gerichte evolutie van de microscopische wezens.

Het onderzoek dat deze ongelooflijke prestatie presenteert, werd woensdag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Cell.

Prof. Ron Milo, van het Departement Planten- en Milieuwetenschappen van het Weizmann Instituut in Rechovot, in wiens laboratorium het onderzoek werd uitgevoerd, legt uit dat alle organismen in de natuur “producenten” of “consumenten” zijn van suiker en andere voedingsmiddelen, zoals vetten. De producenten zijn algen, planten en een paar soorten bacteriën die in extreme omgevingen leven. Deze bacteriën halen koolstofdioxide uit hun omgeving en met behulp van de energie van de zon fixeren ze het en creëren ze een complexe molecule – zoals suikers – die essentieel zijn voor het leven.

De rest van de organismen bestaat uit het werk van die planten en algen en wordt door hen gevoed – waardoor ze de suikers ontvangen die ze nodig hebben om te bestaan. In wetenschappelijke termen worden de “producenten” “autotrofen” genoemd en de consumenten heterotrofen. In het laboratorium van prof. Milo werkte het team 10 jaar totdat ze erin slaagden een heteotrofe bacterie in een autotrofe te veranderen – van consument tot producent.

In de eerste fase gebruikten de onderzoekers, geleid door Dr. Shmuel Gleizer, gewone E. coli-bacteriën die veel worden gebruikt in de industrie en onderzoekslaboratoria. E. coli is een gewone heterotrofe bacterie die suikers nodig heeft om energie te produceren en de bouwmaterialen die nodig zijn voor de cel, bekend als biomassa.

Vervolgens, met behulp van een genetische bewerkingstool, hechtten ze zich aan de genen van de bacteriën die essentieel zijn voor koolstoffixatie. Deze genen kwamen van een andere bacterie, bekend als cyanobacteriën, een micro-organisme dat in water leeft en fotosynthese kan uitvoeren. Ze voegden ook een ander gen toe aan de bacteriën waardoor het energie kon ontvangen van een materiaal dat formiaat wordt genoemd als vervanging voor energie uit de zon bij fotosynthese.

Deze genetische bewerking was niet genoeg om de bacteriën van suiker te spenen, en dus begon Dr. Gleizer, samen met de onderzoekstudenten Roi Ben-Nissan en Yinon Bar-On en anderen, de culturen van suiker af te spenen. Ze voedden de bacteriën overvloedig met koolstofdioxide en formiaat en kleine hoeveelheden suiker in een proces van gerichte evolutie dat enkele maanden duurde en geleidelijk de hoeveelheid suiker verminderde die de bacteriën ontvingen en die het gebrek aan suiker overleefden. Zes maanden later later slaagden enkele van de eerste afstammelingen van de bacteriën erin te overleven, bloeien en zich voortplanten zonder suiker.

In de volgende fase concentreerden de wetenschappers zich op het bewijs dat de verbeterde bacteriën alleen op koolstofdioxide leefden. Om dit te doen, gebruikten ze lucht met “verrijkte koolstof”: een combinatie van gassen die de isotoop koolstof 13 bevatten, die kan worden onderscheiden van andere isotopen.

De onderzoekers voedden de bacteriën met lucht die koolstofdioxide bevat met de isotoop koolstof 13, die verschilt van de meer gebruikelijke koolstof 12. Ze onderzochten vervolgens de biomassa van de bacteriën die zich op deze manier ontwikkelden, en zagen dat de koolstofatomen inderdaad in hun lichamen waren koolstof 13 afkomstig uit de lucht die de bacteriën consumeerden en niet uit andere bronnen.

“Op dat moment was het ons gelukt om te bewijzen dat een ingrijpende verandering kan worden aangebracht, waarbij onduidelijk was of dit überhaupt mogelijk was,” zei Milo. De volgende fase van het onderzoek is volgens Milo het verbeteren van de efficiëntie van het koolstoffixatieproces. Op dit moment hebben de bacteriën lucht nodig met een concentratie van 5 procent koolstofdioxide, meer dan 100 keer de concentratie in de atmosfeer.

De wetenschappers hopen een gesloten cyclus van het creëren van een biobrandstof te ontwikkelen: de formiaat die de bacteriecellen oplaadt met de energie die nodig is om de koolstof te fixeren, kan rechtstreeks uit de lucht worden geproduceerd met zonne-energie of andere hernieuwbare energie. Dit materiaal dient de bacteriën om koolstofdioxide uit de atmosfeer te fixeren en te laten groeien, en biobrandstof kan worden gemaakt uit de biomassa. Het gebruik van deze biobrandstof draagt ​​niet bij aan het broeikaseffect, omdat alle bij de verbranding uitgestoten koolstofdioxide uit de atmosfeer komt.

Volgens Milo is het doel nu om formate te blijven gebruiken als een bron van externe energie en niet proberen de bacteriën aan te zetten tot directe fotosynthese uit de energie van de zon. “Maar zelfs wat we tot nu toe hebben aangetoond, wordt door velen als onrealistisch beschouwd, en het is dus mogelijk dat deze mijlpaal ook wordt overschreden”, zegt hij. Mogelijk aanvullend gebruik van de verbeterde bacteriën die in het laboratorium zijn ontwikkeld, is het filteren van koolstofdioxide dat door industrieën wordt geproduceerd.

Milo zegt dat de bacteriën nog steeds niet in staat zijn om zelf te overleven, en dus zijn ze niet van plan ze rechtstreeks in het milieu te verspreiden om de snelheid van broeikasgassen in de atmosfeer actief te verminderen. Naast de onhaalbaarheid van het vrijgeven van de bacteriën, legt Milo uit dat een dergelijke directe interventie in de natuur te veel risico’s met zich meebrengt.

Maar een andere richting van het onderzoek zou de landbouwoutput kunnen helpen verbeteren: experimenten met koolstoffixatie in bacteriën onthullen ook nieuwe informatie over de manier waarop koolstof in de natuur wordt gefixeerd. De inzichten die hieruit voortvloeien, kunnen wetenschappers helpen de fotosynthese van gewassen te verbeteren om zo de productie in het veld te verhogen.