Olifantenpoepschimmel helpt bakkersgist
Delftse microbiologen hebben een bakkersgist gekweekt die ethanol kan maken uit de pulp die overblijft bij landbouw. Suikerproducent CSM neemt de gist in productie.
Microbioloog Jack Pronk is tevreden: ‘Er is wel eens uitgerekend dat als je de xylose-suiker kunt vergisten, de alcoholopbrengst per hectare landbouwgrond met veertig tot zestig procent zal stijgen. Microbiologen zijn al twintig jaar bezig xylose te fermenteren. Het is de heilige graal in ons vakgebied.’
Gistcellen
Wikimedia Commons, Bojan Zunar via CC-BY-SA 4.0
In tegenstelling tot de kelk waaruit Christus gedronken zou hebben, is deze graal al gevonden. De Delftse graal is een één-liter-grote glazen maatbeker met een roomwitte suspensie van gistcellen. In de kelder van het Delftse Kluyvercentrum staan er zes op een rij te kolken. Als een couveusekindje worden de gistcellen behandeld. Buisjes met voeding, lucht en medium verdingen zich boven het glaswerk. Boven iedere erlenmeyer staan grote pompen, een computer, beeldschermen en andere apparaten om het kroost te voeden en in de gaten te houden.
Benzineauto
Prof. dr Jack Pronk: ‘De reserves aan olie en steenkool zullen ergens in de komende decennia verdwenen zijn. Fossiele brandstoffen ontstaan na eeuwenlang fossiliseren van plantenresten. Wij hebben geen eeuwen de tijd en maken nu uit plantenresten direct brandstof, en wel bio-ethanol.’
Ethanol uit planten is een brandstof in opkomst. Duitsers, Spanjaarden en Amerikanen tanken al mengsels van benzine en bio-ethanol. Als het aandeel ethanol niet te groot is, kan het in iedere benzineauto. De Europese Unie wil dat in 2011 gemiddeld zes procent van de brandstof uit bio-ethanol bestaat, in ons land is dat nog nul procent. Op dit moment is de wereldmarkt veertig miljard liter – dat zijn met name de landbouwlanden Brazilië en de VS.
Pulp
Bio-ethanol begint met de organische pulp die ontstaat bij de verwerking van snijmaïs, suikerriet en suikerbieten. Daarvan verwerkt de landbouw alleen de makkelijk verwerkbare suikers, suikers met zes koolstofatomen of een meervoud daarvan.
Veertig procent van de plantenresten bestaat echter uit de moeilijk te verwerken C5-suikers (pentoses), waarvan xylose de belangrijkste is. Delftse microbiologen hebben xylose aangepakt met bakkersgist. Saccharomyces cerevisiae is een gerenommeerd werkpaard, het genoom en veel metabole routes zijn bekend, net als de meest gunstige kweekomgeving.
Bakkersgist produceert van nature ethanol, maar groeit nauwelijks op xylose. Om snel xylose om te zetten, zoals de witte suspensies in de kelder nu doen, moesten Pronk en Van Dijken twee obstakels overwinnen.
Olifantenpoep
De ontlasting van olifanten bevat een schimmel die xylose kan omzetten.
Flickr, Richard Stockwell, CC BY-NC-ND 2.0
Nummer één is omzetting van xylose naar xylulose. Dat gaat in twee stappen, en erg moeizaam. Die reactie versnellen lukte niet, het gaf problemen onder zuurstofrijke omstandigheden. Er bestaat wel een enzym – xylose-isomerase – dat het in één stap doet, maar dat zit in Archaea, de ‘oerbacteriën’. De microbiologen brachten het gen in gist, maar door een andere manier van vouwen werkte het enzym daar niet. De xylosefermentatie zat op een dood spoor.
Olifantenpoep bracht uitkomst. De Nijmeegse microbioloog dr. Huub op den Camp trof in feces van olifanten een schimmel aan die xylose kan omzetten. In 2003 publiceerde hij dat, en Jack Pronk zag dat de sequentie lijkt op xylose-isomerase uit Archaea. Samen brachten ze het gen in bakkersgist. Het was een bulls eye. ‘De gist zette xylose geweldig snel om in xylulose. Die bottleneck was verdwenen.’
‘Tergend langzaam’
Obstakel twee was de ‘tergend langzame’ omzetting van xylulose naar ethanol. ‘Dat hebben we ten dele opgelost met directed evolution. We lieten de stammen groeien op xylulose. Een toevallig snelle mutant zal zich vanzelf vermeerderen en selecteert als het ware zichzelf. Een deel van de gisten zetten we steeds op vers medium en dan is het wachten op een weer snellere mutant.’
‘Daarnaast hebben we alle genen tot overexpressie gebracht die in de metabole route zitten van xylulose tot ethanol. We brachten bovendien een deletie aan voor het enzym dat leidt tot het bijproduct xylitol, een bekende zoetstof – maar we zijn geïnteresseerd in ethanol en niet in kauwgom!’
Met de directed evolution daalde de conversietijd van een partij xylulose al fors, na de genetische interventie verliep de omzetting nog drie keer sneller. Inmiddels zijn twee octrooien aangevraagd, en is het proces gepubliceerd (FEMS Yeast Research 4: 655-664, 2004).
Recalcitrant
De fermentatie gaat snel genoeg, nu moet de laboratoriumstam nog overweg kunnen met de pulp die ontstaat bij grootschalige verwerking van gewassen. Met een subsidie van NWO-stichting STW laat Pronk de xylose-eter nu wennen aan recalcitrante omstandigheden: complexe mengsels, organische zuren, pesticiden, cellulases, hoge temperaturen en lage pH-waardes. ‘De uitdaging zit hem nu in het robuust maken van de gist en in de bewerking van de grondstoffen – met dat laatste hebben wij weinig te maken.’
Het opschalen zal volgens Pronk geen probleem zijn. Het bedrijf Nedalco – de Nederlandse Alcohol Coöperatie, een onderdeel van suikerproducent CSM – gaat een nieuwe fabriek bouwen in Sas van Gent. Daar zal de xylose-etende gist grote hoeveelheden ethanol gaan produceren.
Jack Pronk glundert: ‘Het is heel hot. Als we dit op symposia laten zien, spreekt iedereen ons aan. Ik zie ook dat we geluk hebben. We lopen toevallig tegen een enzym aan dat heel goed de bottleneck omzeilt, en het past perfect in onze onderzoek. Het is once in a life time.’
