Van afval naar biobrandstof

De klimaatverandering, uitstoot van enorme hoeveelheden broeikasgassen, uitputting van fossiele brandstoffen, … Het zijn grote problemen die ons allemaal aangaan maar waarvoor we vandaag nog steeds geen concrete oplossing hebben. Oplossingen voor complexe problemen liggen vaak verborgen in de genialiteit van de natuur. Wat als ik u vertel dat we onze CO2 uitstoot drastisch kunnen verlagen door gebruik te maken van gespecialiseerde multi-enzymcomplexen, gebouwd met Legoblokjes… 

‘I want Europe to become the first climate-neutral continent in the world by 2050’ kondigt Ursula von der Leyen vastberaden aan op de persconferentie van de European Green Deal. Een klimaatneutraal Europa betekent dat ons continent niet langer zal bijdragen aan de opwarming van de aarde door de uitstoot van broeikasgassen, zoals CO2. 

Eén van de belangrijkste strategieën waar vandaag op ingezet wordt om onze CO2 uitstoot te reduceren is bio-ethanol. Wanneer bio-ethanol verbrand wordt in de motor van een auto komt, net zoals bij de verbranding van benzine, CO2 vrij. Maar omdat bio-ethanol geproduceerd wordt uit de suikers aanwezig in plantaardig materiaal, wordt een gesloten cyclus gevormd: CO2 wordt uitgestoten en komt in de atmosfeer terecht. Deze wordt opgenomen door planten die CO2 nodig hebben om te groeien en van die planten kan dan weer nieuwe bio-ethanol gemaakt worden. 

Jammer genoeg is plantenmateriaal een zeer complexe grondstof, wat de ontwikkeling en commercialisering van bio-ethanol sterk vertraagt. Daarom besloot ik om met mijn thesisonderzoek mijn steentje bij te dragen binnen deze problematiek. 

Food vs. fuel

Waarschijnlijk hebben de benzinerijders onder u ook al eens bio-ethanol getankt. De E5 en E10 brandstoffen bestaan namelijk voor 5 en 10% uit eerste generatie bio-ethanol. De suikers die gebruikt worden als startmateriaal zijn afkomstig van de eetbare delen van de plant, bijvoorbeeld zetmeel uit tarwe of mais. Deze suikers kunnen door gist gefermenteerd worden tot ethanol. De publieke opinie over het gebruik van voedingsgewassen voor de productie van biobrandstoffen is echter negatief, zo bleek uit de ‘food vs fuel’ discussie. Het voelt inderdaad niet juist dat men in de Verenigde Staten duizenden hectares mais aanplant voor bio-ethanol productie, terwijl meer dan 10% van de Amerikanen honger lijdt.

Stel je nu eens voor dat men al deze maiskolven kan consumeren, terwijl er van het landbouwafval, zoals de maisstengels, bio-ethanol gemaakt wordt. Met andere woorden, de suikers die we fermenteren tot bio-ethanol zijn afkomstig van de niet-eetbare delen van de plant en gaan dus niet in competitie met de voedingsketen. Hier spreekt men van tweede generatie bio-ethanol, en dit is waar mijn onderzoek begint. 

Plantencelwanden bestaan uit parelsnoeren  

Het plantenmateriaal dat omgezet wordt naar tweede generatie bio-ethanol bevat lignocellulose. Lignocellulose is aanwezig in elke plantencelwand en opgebouwd uit een complex netwerk van twee suikerpolymeren, cellulose en hemicellulose, en een aromatisch polymeer, lignine. Een polymeer is een lange keten van enkelvoudige moleculen, zoals een parelsnoer bestaand uit een aaneenschakeling van meerdere parels. Bij (hemi)cellulose zijn deze ‘parels’ suikermonomeren. 

De drie polymeren in lignocellulose zijn sterk met elkaar verbonden en vormen een kluwen van verschillende ketens, zoals meerdere parelsnoeren die sterk in de knoop zitten. Dit maakt het erg moeilijk om hieruit suikers vrij te stellen. Bovendien is de verhouding en samenstelling van de drie polymeren sterk afhankelijk van de plantensoort, de regio en het seizoen. Tot op vandaag bestaat er nog geen robuuste en kostenefficiënte methode om lignocellulose beschikbaar te maken.

Gespecialiseerd multi-enzymcomplex 

Gelukkig heeft de natuur een oplossing gevonden voor de afbraak van deze complexe structuur. Bacteriën gebruiken lignocellulose als voedingsbron. Aerobe bacteriën produceren hiervoor grote hoeveelheden vrije enzymen. De enzymen functioneren als schaartjes, ze kunnen op verschillende plaatsen de ketens knippen. Zo vallen de polymeren uiteen in enkelvoudige suikers, dewelke de bacterie kan opnemen en gebruiken om te groeien. 

Anaerobe bacteriën hebben gespecialiseerde multi-enzymcomplexen ontwikkeld om deze taak uit te voeren. Zo’n complex noemen we een cellulosoom. Het bestaat uit een ruggengraat en verschillende enzymen die zich op deze ruggengraat kunnen vastklikken, via een binding die doet denken aan een stekker -het dockerine- en een stopcontact -het cohesine. Bovendien kan het volledige complex zich vasthechten aan één van de polymeren. Dit zorgt er, in combinatie met de fysieke nabijheid van de enzymen, voor dat een cellulosoom het polymeernetwerk op een veel efficiëntere manier kan afbreken dan vrije enzymen.

Eén cellulosoom bestaat uit verschillende modules: cohesines, dockerines, enzymen, … Deze modules kunnen onafhankelijk van elkaar functioneren. Zo kwam het idee om modules afkomstig van verschillende natuurlijke cellulosomen te combineren tot een designer cellulosoom. In een designer cellulosoom kunnen wetenschappers zelf bepalen welke enzymen opgenomen worden in het complex en op welke positie ze komen te staan. 

Tijdens mijn thesisonderzoek heb ik mijn eigen designer cellulosoom gemaakt. Dit cellulosoom is gespecialiseerd in de afbraak van xyloglucaan, één van de suikerpolymeren aanwezig in lignocellulose. Hiervoor werden vier enzymen (endoxyloglucanase, β-galactosidase, α-xylosidase en β-glucosidase) bijeengebracht die samenwerken om xyloglucaan te verknippen tot vrije suikers.

Spelen met Lego

Een designer cellulosoom is opgebouwd uit meerdere modules, daarom vraagt de constructie op DNA-niveau veel tijd. Om deze bottleneck aan te pakken heeft onze onderzoeksgroep de VersaTile techniek ontwikkeld. De VersaTile techniek uitvoeren is net zoals spelen met Legoblokjes. Eerst kies je de blokjes die je wil gebruiken en bepaal je op welke positie deze moeten komen. Vervolgens worden de blokjes gecombineerd volgens een welbepaald design. Zo wordt elke module van het cellulosoom snel aangemaakt. Daarna kunnen deze modules gecombineerd worden tot een multi-enzymcomplex. 

Meer designer cellulosomen, minder CO2!

Met mijn thesisonderzoek heb ik bewezen dat het mogelijk is om een designer cellulosoom te creëren dat xyloglucaan kan afbreken tot vrije suikers. ‘Maar hoe gaan we daar onze CO2 uitstoot mee verlagen?’, hoor ik u nu denken. Wel, er kunnen oneindig veel verschillende designer cellulosomen aangemaakt worden. Door voor ieder polymeer aanwezig in lignocellulose een gespecialiseerd cellulosoom te ontwerpen, kan het polymeernetwerk volledig afgebroken worden tot fermenteerbare suikers. Zo kan plantenmateriaal zoals landbouwafval omgezet worden tot bio-ethanol, en wordt een gesloten CO2 cyclus gevormd. Een oplossing die niets te vroeg komt, want over zeven jaar is het koolstofbudget van onze planeet uitgeput.