Fotosynthese is een van de belangrijkste biologische processen op aarde, zo niet het belangrijkste: zonder fotosynthese geen leven! Het enzym Rubisco speelt hierin de sleutelrol. Gezien vanuit de moderne landbouwkunde is het fotosyntheseproces echter verre van optimaal. De lovende hyperbolen waren dan ook niet van de lucht in de media van begin dit jaar, toen op 4 januari Science een ‘boost’ van 40% in biomassa berichtte na genetisch sleutelen aan de fotosynthese van de tabaksplant. Ik ergerde me aan deze overdreven uitlatingen, omdat ze zo duidelijk de arrogantie lieten zien waarmee we als mens met de natuur omgaan.
Hans Tramper is emeritus-hoogleraar Bioprocestechnologie Wageningen Universiteit en reflecteert in een aantal essays op de geschiedenis van zijn vakgebied. Zijn stukken werden tot nu toe gepubliceerd op 18 juni, 30 juni, 11 juli, 22 juli, 19 augustus, 10 september, 21 september, 30 september, 10 oktober, 31 oktober, 8 november, 2 december en 26 december 2018, en 21 april en 28 mei 2019.
Mijn eerste kennismaking met Rubisco
Van 1 februari 1975 tot 1 september 1979 was ik tijdelijk wetenschappelijk medewerker bij de vakgroep Organische Chemie van wat toen nog Landbouwhogeschool Wageningen heette. In zo’n functie verrichtte je in die tijd vooral promotieonderzoek met daarnaast enkele onderwijstaken. Wat de laatste betreft betekende dat in mijn geval assisteren bij practica en enkele keren per jaar helpen bij het nakijken van examens. Mijn onderzoek was nieuw en toen ik begon was er nog niet meer dan de titel: Toepassing van enzymen in organische syntheses. Het werd me al snel duidelijk dat de vakgroep Biochemie de betere plek was voor uitvoering van mijn experimenten en daar verbleef ik dan ook meestal. Twee woorden gonsden er toentertijd onophoudelijk rond: Rubisco en Vasolastine. Beide hadden geen enkel verband met mijn eigen onderwerp, maar omdat ze voortdurend ter sprake kwamen, leerde ik er toch een en ander over. Rubisco katalyseert de eerste stap in de Calvincyclus van de fotosynthese en dit was toen onderwerp van fundamenteel onderzoek bij de biochemische vakgroep. Het vormt nu, ruim 40 jaar later, de spil in het artikel in Science en krijgt dus ruim aandacht. Tijdens mijn eerste jaar bij Biochemie groeide een Vasolastine-enzymenonderzoekje op verzoek van een arts uit tot een twintigjarige oorlog tussen onze roemruchte hoogleraar wijlen Cees Veeger en Vasolastine-fabrikant Enzypharm. Ik volsta hier met de verwijzing naar de interessante en leerzame synopsis van dit uit de hand gelopen conflict.
‘Mens-erger-je-niet!’
Ik ben een competitief ingesteld mens, kan slecht tegen mijn verlies en erger me als het niet zo loopt als ik wil. In de loop van een halve eeuw heb ik me redelijk vrij kunnen maken van deze slechte eigenschap, waar ik zelf het meeste last van had. Begin dit jaar liep het echter weer eens flink uit de hand. Het begon met het lezen van de Volkskrant op zaterdag 5 januari. Eerst natuurlijk de strip Sigmund en dan zoals gewoonlijk de column van Bert Wagendorp, een van mijn favoriete columnisten. Doorbraak heette die dag zijn column, wat mij betreft een absolute topper. Hij schreef hem naar aanleiding van een verhaal van zijn collega Maarten Keulemans over het artikel in Science. Wagendorp schrijft onder meer het volgende. ‘Volgens onze wetenschapsredacteur Maarten Keulemans is in de meeste planten sprake van ‘krakkemikkige fotosynthese’ en is die weeffout van de evolutie nu enigszins hersteld. Leve het menselijk vernuft! Fotosynthese (met lichtenergie worden CO2 en water omgezet in koolhydraten en zuurstof) is de chemische reactie waaraan we alles danken, inclusief onszelf.’
So far, so good. In het kader van een column is dit te verwachten terminologie. Toen ik daarna op de andere kant van de bladzij het stuk van Keulemans las, ergerde dit woordgebruik mij toch wel. Mijn ergernis nam toe naarmate ik meer artikelen tegenkwam waarin over de fotosynthese gesproken wordt in de trant van ‘evolutionair slordigheidje’ en ‘one of evolution’s greatest mistakes’. Het schoot me echt in het verkeerde keelgat toen ik de volgende twee zinnen las: ‘Intelligent design has triumphed where evolution has mostly failed. Biologists have boosted the biomass of tobacco by around 40 per cent by compensating for a fundamental flaw in photosynthesis.’ De auteur Michael le Page van het betreffende artikel vergoelijkt overigens deze ‘evolutionaire vergissing’ wel enigszins. In de paragraaf met de kop Evolution’s greatest mistakes schrijft hij vrij vertaald en ingekort het volgende. ‘Het enzym dat kooldioxidemoleculen grijpt en aan een koolstofketen hangt, grijpt vaak abusievelijk een zuurstofmolecuul, fotorespiratie genoemd, waarbij giftige stoffen gevormd worden die de cel ten koste van energie moet opruimen. De eerlijkheid gebied te zeggen dat dit bij het ontstaan van de fotosynthese geen noemenswaardige rol speelde omdat er toen nog weinig zuurstof was. Naarmate echter in de loop der tijd de hoeveelheid zuurstof toenam en die van kooldioxide af, nam deze fotorespiratie toe, waardoor het rendement van de fotosynthese sterk daalde. Het betreft vooral de planten die we eten, inclusief alle groente en fruit, maar ook gewassen als tarwe, rijst en soja. Biologen proberen al decennia dit mankement te repareren.’
‘De natuur maakt geen fouten’
Ik ben niet de enige die zich gestoord heeft aan dit nogal arrogante taalmisbruik. Ook Marc van der Sterren, agrarisch journalist, was daar 10 januari duidelijk over in zijn reactie Gentech neemt honger niet weg op de Opinie & Debat pagina van de Volkskrant. Ik licht er enkele stukken uit.
‘De natuur maakt geen fouten. De natuur is zoals ze is. Het herstellen van ‘een krakkemikkige fotosynthese’ is mooi voor de economie, het lost echter geen voedselprobleem op. […] Zonder scrupules of aanhalingstekens gebruikt Maarten Keulemans in het artikel termen als ‘weeffout’, ‘krakkemikkige fotosynthese’ en ‘gifstoffen’. […] Maar is er daarmee sprake van een ‘weeffout’? De tabaksplant stamt immers gewoon uit de natuur en daar was het nooit de bedoeling om zo veel mogelijk voedsel te produceren voor slechts één diersoort. Het succes van de evolutie was juist het ontstaan van de enorme veelzijdigheid aan flora en fauna.’
‘We produceren voldoende om anderhalf keer de wereld te voeden’
‘Het opvoeren van de voedselproductie om de groeiende wereldbevolking te voeden is een mooi streven,’ zo ging Marc van der Sterren verder, ‘maar het verandert niks aan de oorzaak van honger: de meeste hongerigen hebben gewoon niet genoeg geld om voedsel te kopen, of kennis om hun voedsel te produceren. Ook al leeft maar liefst 80 procent van hen op het platteland. Goed nieuws: de gentechnologische oplossing om de ‘weeffout’ in de natuur te herstellen, wordt volledig patentvrij, zodat ook arme boeren hier gebruik van kunnen maken. Prangende vraag: Waarom worden die arme boeren nu al niet benaderd om met de huidige kennis de productie van voedsel op te voeren, zodat zij geen honger hoeven te lijden? Prangend antwoord: de multinationals die het voedselsysteem in handen hebben, zien daar geen brood in.’ Een verhaal uit mijn hart gegrepen en … mijn ergernis verdween ermee.
Fotosynthese is hypercomplex
Wagendorp haalt in zijn column ook Louise Fresco aan, al enkele jaren topbestuurder van WUR. ‘ “De heilige graal in ons vakgebied is de fotosynthese,” verklaarde de Wageningse hoogleraar voedseltechnologie (sic) Louise O. Fresco vorig jaar in deze krant, als antwoord op de vraag naar de tien miljard monden. “De tijd is aangebroken dat we gaan werken aan het efficiënter maken van dat proces, zodat de opbrengst van gewassen kan worden verhoogd. Het proces is hypercomplex, reden waarom het nog niet gelukt is het te verbeteren.” In het interview pleitte ze voor een flinke zak met geld voor onderzoek. Aan de Universiteit van Illinois, waar de doorbraak tot stand kwam, beschikten ze over zo’n zak. Aanvankelijk stuitte het onderzoeksvoorstel op problemen met de financiering. Die waren opgelost toen ’s werelds rijkste filantropen, Bill en Melissa (sic) Gates, 25miljoen dollar fourneerden.’ Los van de feiten dat mevrouw Fresco wel hoogleraar is maar niet in de voedseltechnologie, en mevrouw Gates niet Melissa maar Melinda heet, onderschrijf ik dat de fotosynthese een zeer ingewikkeld proces is; dat werd me veertig jaar geleden al duidelijk gemaakt. Maar ik wil hier ook met andere woorden nogmaals benadrukken wat ik in de vorige paragraaf al beaamde: niet alleen moet de gewasopbrengst wereldwijd omhoog, maar vooral moet de verdeling van voedsel veel eerlijker.
Rubisco
De queeste naar de heilige graal wat betreft de fotosynthese houdt m.i. op bij Rubisco, daar zit namelijk de pijn, daar moet aan gesleuteld worden om het rendement te verhogen, dit dus vanuit het perspectief van de moderne landbouw. Dit enzym werd in november 2000 molecuul van de maand genoemd, in 2016 The great RuBisCO and its amazing carbon fixation en in 2018 het belangrijkste eiwit op aarde. Volgens het artikel uit 2016 kick-start Rubisco de eerste stap in de Calvin-cyclus waarin koolstofdioxide uit lucht door koolstoffixatie omgezet wordt in voor de cel bruikbare grondstoffen, met name glucose. Vroeger hadden brom- en motorfietsen een pedaal, de Kickstarter, waarmee je de motor op gang bracht. Meestal moest je die wel aantal keren intrappen voor de motor liep. De tegenwoordige betekenis van kick-starten is iets snel op gang brengen. Die laatste betekenis kan het m.i. niet zijn. Rubisco heeft een relatief zeer lage activiteit en de Kickstarter vind ik daarom een mooiere metafoor, temeer omdat de Calvincyclus zes keer rond moet gaan, als het ware zes keer moet opstarten, om één glucosemolecuul te kunnen produceren.
Rubisco is het cruciale enzym in de Calvincyclus en zonder dit enzym geen plantencel en dus ook geen leven op aarde. Volgens het artikel uit 2018 is dat alleen al voldoende om dit enzym de titel te geven van ‘het belangrijkste eiwit op aarde’. Maar daarnaast is het ook het eiwit dat het meest voorkomt op onze planeet. Dat komt doordat het niet het meest efficiënte enzym is dat we kennen. Volgens het artikel uit 2000 verwerken doorsnee enzymen zo’n duizend substraatmoleculen per seconde, terwijl Rubisco slechts een drietal kooldioxidemoleculen per seconde kan fixeren. De plantencellen vangen dit op door grote hoeveelheden Rubisco te maken.
Rubisco is niet alleen relatief traag maar ook weinig specifiek wat betreft kooldioxide en zuurstof. Zuurstofmoleculen lijken qua vorm en fysisch-chemische eigenschappen sterk op kooldioxidemoleculen en kunnen daarom ook makkelijk in het actieve centrum van Rubisco binden. Dit gebeurt vaker naarmate er relatief meer zuurstofmoleculen aanwezig zijn. Als het gebeurt dan worden er verbindingen gevormd zoals glycolaat die de plantencel moet opruimen ten koste van energie. De in Science gepubliceerde fotosynthese-boost gaat over de efficiëntere verwerking van deze verbinding, maar daarover meer in de laatste paragraaf.
Rubisco is in alle opzichten een bijzonder enzym. Een van de oudste en grootste, en nauwelijks veranderd in de loop van de evolutie. Waarom dat is, bestaan alleen maar speculaties over. Marc van der Sterren vraagt zich bijvoorbeeld af of die ‘gifstoffen’ die de plant produceert misschien een functie hebben. Hij suggereert dat die ‘gifstoffen’ misschien wel een bron van voeding zijn voor schimmels, bacteriën en andere organismen die in symbiose samenwerken in een ingewikkeld en divers ecosysteem. Een intrigerende gedachte.
De Calvincyclus
In de chloroplasten, oftewel bladgroenkorrels van planten bindt het enzym Rubisco (ribulose-1,5-bisfosfaat-carboxylase-oxygenase) kooldioxide aan ribulose-1,5-bifosfaat (RuBP), een suiker bestaande uit een keten van vijf koolstofatomen. De ontstane, aan Rubisco gebonden C6-verbinding wordt door het enzym doormidden geknipt waarna twee moleculen glyceraat-3-fosfaat (C3-verbinding) vrijkomen. Deze verbinding is bruikbaar in een aantal centrale metabole routes, maar wordt grotendeels omgezet in glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) dat als belangrijkste product van de Calvincyclus wordt beschouwd. Nodig hiervoor is de energie opgeslagen in ATP en het reductievermogen van NADPH. De bijproducten ADP, anorganisch fosfaat-ion en NADP+ worden naar het licht-afhankelijke deel van de chloroplast getransporteerd en daar met lichtenergie geregenereerd tot ATP en NADPH. Als Rubisco drie keer kooldioxide gefixeerd heeft, zijn er dus zes glyceraldehyde-3-fosfaat moleculen gemaakt. Vijf ervan worden gerecirculeerd, ten koste van nog meer ATP, naar de uitgangsstof ribulose-1,5-bifosfaat om de cyclus op gang te houden. Het zesde kan direct als grondstof in centrale metabole routes gesluisd worden of twee ervan omgezet in C6-suikers, met name glucose. Om één molecuul glucose te maken, moet Rubisco dus zes moleculen kooldioxide fixeren. Glucose kan getransporteerd worden naar andere cellen en daar bijvoorbeeld de glycolyse ingaan, of in de bladgroenkorrels zelf opgeslagen worden als zetmeel.
Zonder water en zuurstof mee te nemen ziet het reactieschema er als volgt uit:
6 CO2 + 6 RuBP (+ energie van 12 ATP en 12 NADPH) → 12 G3P
10 G3P (+ energie van 6 ATP) → 6 RuBP
2 G3P → glucose (C6H12O6)
Overall, inclusief waterconsumptie en zuurstofproductie, komt het neer op:
6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2
Fotosynthese-boost
Veruit de meeste landplanten, zo’n 95%, zijn C3-planten. Ze worden zo genoemd omdat hun vitaliteit gebaseerd is op de C3-verbindingen uit de Calvincyclus. Het overgrote deel van de plantenproducten die we eten is afkomstig van C3-planten. In al deze planten vindt in meer of mindere mate fotorespiratie plaats waarbij ‘giftig’ glycolaat gevormd wordt, dat de plant onschadelijk maakt in de peroxisomen en mitochondria ten koste van energie (Figuur 2), hetgeen de fotosynthetische efficiëntie met 20-50% kan verminderen. Hoewel er andere ontwikkelingen zijn die zeker ook potentieel hebben om de efficiëntie te verbeteren, komt hier alleen de doorbraaktechnologie ter sprake die begin dit jaar in Science werd gepubliceerd. De betreffende onderzoekers testten de drie meest belovende alternatieve fotorespiratie-routes in veldproeven met een transgene tabaksplant. Voorafgaand aan de veldproeven deden ze jarenlang experimenten met veel meer alternatieven in laboratorium en kas. Ze kozen de tabaksplant omdat dit een ideaal modelsysteem is. Niet alleen omdat de tabaksplant gemakkelijk genetisch veranderd kan worden, maar ook vanwege de korte levenscyclus, de robuuste met andere gewassen vergelijkbare bladkroon en de grote hoeveelheden zaden. In Alternatief 1 zijn de chloroplasten van de betreffende tabaksplant genetisch gemodificeerd met vijf genen uit de glycolaat-oxidatieroute van een Escherichia coli bacterie; in Alternatief 2 met een zandraket glycolaat-oxidase, een pompoen malaat-synthase en een E. coli katalase; en in Alternatief 3 met een pompoen malaat-synthase en een groene-alg glycolaat-dehydrogenase.
Niet alleen deze drie alternatieven werden getest, maar van elk ook een versie waarin het eigen glycolaat-transportsysteem van de chloroplast (PLGG1) door RNAi was uitgeschakeld; zie ook Deel 4.4 en Deel 4.7. De resultaten verkregen in twee groeiseizoenen waren duidelijk: Alternatief 3 is het beste. Zonder uitschakeling van PLGG1 is de vermeerdering in groeiopbrengst >25% en met uitschakeling zelfs >40%. Tot slot citeer ik nog één stukje Wagendorp en vergelijk dit met de conclusie van de Science-artikel auteurs. ‘De doorbraak betrof de succesvolle genetische modificatie van een tabaksplant. […] Jammer, juist nu de populariteit van tabak drastisch is afgenomen, maar het principe werkt hoogstwaarschijnlijk ook in andere planten.’ versus de conclusie van de onderzoekers ‘Engineering more efficient photorespiratory pathways into tobacco while inhibiting the native pathway markedly increased both photosynthetic efficiency and vegetative biomass. We are optimistic that similar gains may be achieved and translated into increased yield in C3 grain crops because photorespiration is common to all C3 plants […]’. ‘Optimistisch’ klinkt toch net wat anders dan ‘hoogstwaarschijnlijk’.
Interessant? Lees dan ook:
Omgaan met de complexiteit van biomassa
Koude isolering van aardappeleiwit, een prachtige innovatie
Natuur als uitvinder