Voor de natuur is energie gratis en altijd in overvloed beschikbaar. De zon voorziet onze planeet van een energiestroom waar we maar enkele procenten van gebruiken. De natuur kan al haar wonderwerken verrichten met microtechnologie, met slechts zo’n 1% van de energie om haar heen.
Het probleem is: hoe pakken we die grote voorraad vast? Daarvoor heeft de natuur een uitermate ingewikkeld systeem ontwikkeld, de fotosynthese. Een systeem waar we nog steeds onderzoek aan doen; en waarbij we ons nog steeds verbazen over de geringe efficiëntie ervan. De plant weet maar een fractie van de opgevangen lichtstralen om te zetten in bruikbare energie; afhankelijk van de kleur van het licht niet meer dan 0,1 tot 2 %. Maar met interessante gevolgen. Voor de natuur is energie een kostbaar bezit dat zo efficiënt mogelijk moet worden gebruikt. Dankzij katalyse en enzymen krijgt de evolutie het voor elkaar om de meest ingewikkelde (levens)vormen tot stand te brengen en te laten functioneren.
De natuur is extreem zuinig
Er is een parallel met mineralen als stikstof, die de natuur nodig heeft om aminozuren, eiwitten en DNA aan te kunnen maken. Onze atmosfeer bestaat voor meer dan 70% uit stikstof (N2), maar de natuur kan met microtechnologie die stikstof toch in een bruikbare vorm omzetten. Ze krijgt het voor elkaar, opnieuw dankzij katalyse door enzymen; ze gaat zeer efficiënt en subtiel met de moeizaam verkregen stikstof om. Als de mens ingrijpt door de natuur te bedienen met gemakkelijk toegankelijke stikstof (mest en/of kunstmest), gaat dat in eerste instantie goed. De natuur grijpt het aanbod aan en beloont ons met veel grotere oogsten en meer en beter voedsel (de Groene Revolutie). Maar zoals met alles: overdaad schaadt. De subtiele op schaarste ingestelde systemen raken van slag. Als eerste de meest kwetsbare, want die zijn afgesteld op de hoogste mate van schaarste. Kijk naar de Nepenthes Rajah die zijn stikstof onttrekt aan de mest van een in zijn bloemkelk gevangen rat – maar die met een beetje kunstmest subiet het leven laat. Vergelijk het met record hoogspringen. Elke kleine wijziging in de omstandigheden verhindert vrijwel altijd een nieuw record.
Welke grote les zit hier voor ons in? Overdaad schaadt – juist met minimale middelen kun je een levende planeet tot stand brengen en in stand houden. Microtechnologie! En van de belangrijkste van die middelen, zoals energie en stikstof, weten we inmiddels hoe we die met energie van de zon op een handige manier kunnen beetpakken. Onze zonnepanelen, toch heel wat eenvoudiger te maken dan het fotosynthese-complex, kunnen met hoog rendement zonlicht oogsten. Waar de natuur rond de 1% scoort, kunnen onze panelen al gemakkelijk 20% halen; veel meer ligt in het verschiet.
Microtechnologie
En met veel al beschikbare microtechnologie kunnen we steeds meer processen aansturen. Denk aan informatica en straks ook kunstmatige intelligentie. Met minimale inspanningen kunnen we net als de natuur steeds meer prestaties leveren. In de natuur gaat het vaak stapje voor stapje en ook met heel veel herhalingen (denk aan de fractalen in de biosynthese die uiteindelijk de bloemmotieven vormen). Maar dat hoeft ook voor ons steeds minder een probleem te zijn. We zullen binnen afzienbare tijd zeker in staat zijn om met microtechnologie goud, zilver of zeldzame aardmetalen stapje voor stapje uit afval te winnen. Het mogen miljoenen stapjes zijn, en het mag veel energie kosten. Maar als het wordt gedaan door een slimme micromachine met een eigen zonnepaneeltje zal het niemand een zorg zijn als de opbrengst enkele grammen per dag is. We zetten simpelweg een paar duizend apparaten aan het werk. En dat machientje kan ook een micro-organisme zijn.
Dat kan op twee manieren. De DNA-code voor een natuurlijk materiaal (hout, katoen) overbrengen in een snelgroeiend micro-organisme; en dit aanzetten tot de productie van de gewenste stof. Denk aan de parallel met kweekvlees, diervrije zuivelproducten en medicijnen uit schimmels, gisten of bacteriën. De wereld van precisiefermentatie, synthetische biologie en cellulaire landbouw. De genetische codes voor welke natuurlijke materialen dan ook kennen we; en we slagen er steeds beter in, die met microtechnologie over te brengen naar een geschikt micro-organisme voor massaproductie. Denk aan kweekvlees en koevrije zuivelproducten. Bij penicilline hebben we de code van de schimmel overgebracht naar de cellen van het bakkersgist. En gist is heel wat eenvoudiger te hanteren dan schimmels. Denk aan het antimalariamiddel artemisinine uit het bijvoetplantje, waarvan de E coli bacterie, voorzien van de code uit het plantje, moeiteloos honderden kilo’s per dag kan produceren. Er zijn eigenlijk geen principiële belemmeringen om dit te doen voor welk organisch natuurproduct dan ook!
Uitgaan van de complexiteit van de natuur
Dus laten we het gaan doen voor katoen, cellulose, zetmeel, hout, lignine enz. enz. De interactie met plastics en kunststoffen kan dan een heel andere dimensie krijgen. Aanslagen op de natuur, land en water worden net zoals bij kweekvlees door de microtechnologie geminimaliseerd. Voor alle toepassingen zal suiker uit de akkerbouw de belangrijkste grondstof zijn. We hebben het eerder gezegd; ‘suiker is de olie van de toekomst’. En er zit meer in het vat. We zijn steeds beter in staat om gerichte wijzigingen in de DNA-codes aan te brengen (zie CRISPR-Cas) en op die manier bepaalde eigenschappen van het natuurproduct te wijzigen. Dus dikkere katoen of met een kleurtje. Of zachthout met lagere kans op rot, of toch liever hardhout met een lager gewicht. Het is een grote wetenschappelijke uitdaging om de gewenste eigenschappen van de kunststoffen te vertalen naar aanpassingen in de genetische code voor een natuurproduct. Dus de voordelen van polyesters aanbrengen in de katoen zelf, zonder de natuurlijke compatibiliteit van het katoen te benadelen.
Met de introductie van genetisch aangepaste katoenplanten zijn we al met de eerste stappen bezig. Het gaat er nu nog vooral om, de katoenteelt te beschermen tegen allerhande plagen; maar de stap naar modificaties in het eindproduct hoeft niet groot te zijn. En het kan zelfs nog eenvoudiger. Beginnen met het natuurproduct en vervolgens doelgerichte veranderingen aanbrengen. Voor katoen zijn de eerste stappen al gezet.
Hout als bouwmateriaal
Als we dit toepassen op het gebruik van hout als bouwmateriaal zijn de ontwikkelingen niet minder dan revolutionair. Er heeft een omwenteling plaats gevonden in de bouw: de ontwikkeling van industrieel hout. Met ‘industrieel hout’ kunnen wij innovatief bouwen. Industrieel hout als bouwmateriaal kan nu zelfs beter zijn dan bakstenen, beton en staal in termen van kosten, duurzaamheid en leefbaarheid. Want we kunnen tegenwoordig massief hout bewerken zodat het sterker wordt. Zachthout krijgt daarbij vele eigenschappen van hardhout. Zoals door behandeling met azijnzuuranhydride onder druk (acetylering). Of met furfurylalcohol, een bijproduct van het maken van rietsuiker (fufurylering). Of door alleen maar te verwarmen.
Bij een van de meest gebruikte technieken ontstaat gelamineerd hout. Dit bestaat uit aan elkaar gelijmde platen van zachthout met parallelle nerven. Stukken met kwasten of andere foutjes worden verwijderd, zodat een sterke balk ontstaat. Omdat elk van de tamelijk dunne platen kan worden gebogen, kan gelamineerd hout worden gebruikt in ronde vormen. De balken lijken wat op massieve balken, maar zij zijn sterker en kunnen heel lang worden gemaakt, tot wel 80 meter. Een ander veel gebruikt product is kruislaaghout, waarvan multiplex een voorbeeld is. Hier zijn de nerven loodrecht op elkaar gelijmd. Dit materiaal is zeer geschikt voor het maken van grote oppervlakken als vloeren. Industrieel hout geeft een geheel nieuwe ontwerpvrijheid.
Holisme
Dit is holisme in de wereld van de materialen. Uitgaan van de complexiteit van het geheel. Kleine veranderingen aanbrengen zonder nadelen voor het geheel maar met de gewenste eigenschap als extra. Met de reductionistische basis van alle kunststoffen zullen we dit punt vrijwel zeker nooit bereiken. We zouden bijvoorbeeld met microtechnologie voor het polyester in een periode van enkele mensjaren, de miljoenen jaren evolutie van katoen moeten doorlopen. Wees verstandig en begin maar met het natuurproduct.
Verrassingen
Zijn er nadelen? Ongetwijfeld. We zullen ook verrassingen tegenkomen. Misschien zijn de producten uit precisiefermentatie toch net niet 100% identiek aan het natuurproduct, omdat we met onze microtechnologie foutjes hebben gemaakt in het overbrengen van de genetische code. Of omdat we die code niet volledig hebben overgebracht omdat we die stukjes van geen belang achtten (vanwege onze reductionistische inslag). Of omdat we enkele essentiële ‘bijproducten’ niet in de genetische code hebben meegenomen. De natuur werkt weinig met 100% eenduidige stoffen. Zij werkt met mengsels (denk aan geur- en smaakstoffen). Of misschien zijn enkele micro-ingrediënten onmisbaar voor een optimale functie. Het is holisme, nietwaar.
De gedachte dat 100% zuivere en eenduidige moleculen allesbepalend zijn, is een typisch reductionistisch axioma. Het is een probleem waar bijvoorbeeld de ontwikkeling van kweekvlees mee worstelt. Voor de juiste smaak en het beste mondgevoel is net iets meer nodig dan een grote verzameling spiercellen. Maar wat en hoeveel moeten we toevoegen, en waar vinden we daarvan de genetische blauwdruk? Of moeten we er naderhand nog wat bij doen, met alle mogelijke ellende van dien? Of misschien is ons kweekvoedsel wel veel te zuiver en raakt ons immuunsysteem van slag? Als we kweekvlees gaan eten, worden we niet meer geconfronteerd met vreemde eiwitten, bacteriën of virussen. Ondanks alle hygiënische maatregelen komen die toch nog heel veel in ons huidige voedsel voor. Ons immuunsysteem zou zijn geheugen kwijt kunnen raken! En wat kan er gebeuren met onze maag-darm flora als we steeds ‘schoner’ voedsel krijgen voorgeschoteld? Onze reductionistische inborst zorgt voor zuiver, eenduidig gekweekt voedsel; maar dat kan alsnog zorgen voor een conflict met het holistisch tot stand gekomen natuurproduct. Verrassingen zullen ons niet bespaard blijven.
Interessant? Lees dan ook:
Omgaan met de complexiteit van biomassa
Hout verduurzamen
Verwerking van lignine – uitdagingen en grenzen