Precisiefermentatie

Fermentatie kennen we al lang. Het is het eeuwenoude proces waarmee we brood, yoghurt, azijn, tofu, bier en wijn maken. Een proces dat het leven al lange tijd heeft veraangenaamd. We kennen nu ook precisiefermentatie: het maken van stoffen waarbij we geprogrammeerde micro-organismen gebruiken. Een revolutie in de chemische industrie.

Van fermentatie naar precisiefermentatie

Fermentatie bestaat uit de afbraak van een organische stof – meestal een suiker – door een micro-organisme. Welke stoffen het micro-organisme maakt, dat hangt af van zijn genetische eigenschappen. Het kan alcohol zijn; maar ook eiwitten, vetten en enzymen behoren tot de mogelijkheden. Net als n-butanol (gebruikt bij het maken van kunstrubber), penicilline, citroenzuur, diverse aminozuren en vitamines als C, B2, B12 en D2.

In de laatste 100 jaar hebben we geleerd, deze micro-organismen te veranderen en aan te passen aan onze behoeften. Dat heeft geleid tot precisiefermentatie of kortweg PF; de volgende stap in deze techniek. Mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van precisiebiologie – een tak van wetenschap waarin kunstmatige intelligentie samenkomt met nieuwe biotechnologische technieken als genetische modificatie, synthetische biologie en bio-informatica. Precisiefermentatie wordt ook wel cellulaire landbouw genoemd: het maken van landbouwproducten, niet uit een dier, maar uit cellen, vaak in het laboratorium gekweekt.

Nieuwe producten

Met PF kunnen micro-organismen in principe alle stoffen maken waarvoor wij hen programmeren. Zoals smaak- en geurstoffen waarmee we voedingsmiddelen meer inhoud geven. De micro-organismen werken daarbij als kleine fabriekjes die vanuit het uitgangsmateriaal het gewenste product maken; maar natuurlijk alleen als we eerst de juiste genetische code daarvoor hebben ingebracht. Genetische codes die onderzoekers halen uit planten (soms dieren) die de betreffende stof in de natuur maken. We kunnen zelfs nieuwe stoffen laten maken als we een nieuwe, nog niet bestaande code inbrengen. Dit alles is alleen mogelijk geworden door de snelle ontwikkeling van kunstmatige intelligentie, automatisering en simulatie.

In het begin werd precisiefermentatie alleen gebruikt om dure producten als medicijnen te maken. Maar de techniek wordt voortdurend (veel) goedkoper. De mogelijkheden van PF beginnen nu langzamerhand door te dringen. Precisiefermentatie is nu zó ver gevorderd dat we veel genen heel exact kunnen veranderen. Leidend tot zuiverder producten en betere opbrengsten. Nu vooral van medicijnen en voedingsmiddelenadditieven.

Kosten blijven dalen

Binnenkort kunnen we, zo zeggen deskundigen, elk willekeurig eiwit maken. Bovendien, zo verwacht men, zullen de kosten ervan blijven dalen. Nu is de techniek al stevig doorgedrongen bij de zogenoemde biologische middelen (biologics) – stoffen gebruikt bij de bestrijding van ziektes als multiple sclerose, ontstekingen, diabetes en kanker. En bij cosmetica. RethinkX denkt dat we rond 2025 een flink aantal eiwitten kunnen maken tegen marktkosten – en dat ze in de jaren daarná de markt zullen overnemen. Het wordt tijd dat we ons gaan afvragen welke markten wel en niet kunnen worden overgenomen door PF. En het zou verstandig zijn dat nú te doen, zodat we straks niet overvallen worden door de ontwikkelingen.

Nieuwe producten

Het eerste product dat we met precisiefermentatie maakten was insuline, het medicijn tegen suikerziekte (diabetes). Dat was begin jaren ’80. Vele medicijnen zijn daarna gevolgd, zoals het menselijk groeihormoon, het vaccin tegen hepatitis B, en erythropoietine, een hormoon gemaakt door de nieren en nodig voor de aanmaak van rode bloedlichaampjes. Deze vrij kostbare producten vormden de opstap voor de verdere ontwikkeling van de techniek.

Kostendaling is het trefwoord bij deze verdere ontwikkeling. De markten voor producten van PF zijn dan ook geëxplodeerd. De techniek wordt nu niet meer alleen gebruikt voor het maken van vitamines en medicijnen. We maken er tegenwoordig ook industriële enzymen mee; gebruikt bij het maken van voedingsmiddelen, textiel, cosmetica en wasmiddelen. Met PF kunnen we zuiverder stoffen maken dan de natuur; met toepassingen in warmere, koudere, zuurdere omstandigheden, waardoor ze breed kunnen worden gebruikt. Ook voedingsmiddelenadditieven kunnen we met PF zuiverder en goedkoper maken dan met de oude methoden. Voorbeelden zijn sinaasappelsmaak (valenceen) en frambozensmaak. Met PF gemaakte stoffen zijn al diep doorgedrongen in ons leven – zelfs zonder dat de meesten van ons daarvan maar enige notie hebben.

Kaas

Een van de meest succesvolle producten gemaakt met PF is kunstmatig chymosine, het enzym verantwoordelijk voor het maken van kaas uit melk. Hiermee kunnen we betere kaas maken dan met het oude middel lebferment, gehaald uit kalvermagen. Met hogere opbrengst en betere structuur, en ook nog met een minder bitter product. Verreweg de meeste kaas wordt nu gemaakt met deze stof. We kunnen daarmee natuurlijk ook plantaardige kaas maken. Bijvoorbeeld van Those Vegan Cowboys, voortgekomen uit de Vegetarische Slager. Al is het voor vegetariërs wel oppassen geblazen. Ook bij veganistische kazen wordt soms lebferment gebruikt – misschien geeft de productinformatie uitkomst. Zachte veganistische kazen worden vaak gemaakt van noten, vooral cashewnoten. Hardere kazen zijn goed te maken uit kokosolie – die is vast bij kamertemperatuur. En ook uit sojabonen kun je goed kaas maken. Samen met plantaardige oliën, melkzuurbacteriën en smaakmakers. De langs deze weg gemaakte kazen zijn allemaal vrij van cholesterol.

Zonnevoedsel

We kunnen ook steeds beter zogenoemde eencellige eiwitten maken, als voedsel en diervoeding. Dit zijn cellen van cyanobacteriën en andere micro-organismen die ontstaan uit kooldioxide (CO₂) in speciale kweekapparaten, met moderne biotechnologie. Door bedrijven als Photanol in Nederland en Alganol in de VS. De cellen worden op verschillende manieren gekweekt, met behulp van zonlicht via fotosynthese, of met suiker als grondstof in een fermentatieproces. Het eindproduct bestaat uit eencelligen met een hoog eiwitgehalte. Er zitten ook andere producten in, als omega-3 vetzuren en vitaminen, essentieel in diverse toepassingen.

Dr. Juha-Pekka Pitkänen van het Finse onderzoekscentrum VTT ontwikkelde een systeem voor de productie van eencellige eiwitten en heeft recent een nieuw bedrijf opgericht met de perfecte naam voor zijn producten: Solarprotein. Dit zal eencellige eiwitten maken voor verwerking in menselijke en dierlijke voeding. Gevraagd naar de smaak van Solarprotein zei Dr. Pitkänen: ‘Je kunt het eten – maar het heeft van zichzelf geen smaak’. Het is daardoor een perfect voedingsmiddel omdat het kan worden aangepast aan de smaak van de klant. In het geval van Veramaris, een joint venture van Evonik en DSM, zullen de klanten viskwekers zijn. Zij leggen zich toe op cellen met hoge concentraties van de essentiële omega-3 vetzuren EPA en DHA; ter vervanging van het in de viskweek veel gebruikte vismeel uit gevangen vis.

En de vergezichten reiken nog verder. Op internet fantaseren onderzoekers over het maken van niet-verslavende opioïden. Van palmolie die niet van de plantage komt. Van kipvrije eiwitten zoals ze voorkomen in eieren en van nuttige stoffen gemaakt uit afval. Ja, wij zeggen wel dat onderzoekers hierover ‘fantaseren’; maar misschien zijn ze wel hard aan het werk om hun fantasie werkelijkheid te laten worden. We zullen in de toekomst zeker worden verrast!

Precisiefermentatie, nu ook bij materialen

Met dalende kosten zijn nog veel méér markten binnen handbereik. Ook buiten de voedingssector. Wat te denken van kunstmatige zijde? Neen, geen kunstzijde, ontwikkeld eind 19^e eeuw – die heet tegenwoordig rayon of viscose, in België ook wel fibraan. Viscose wordt nog steeds gebruikt, want het draagt net zo prettig als katoen; terwijl de stof zachter en soepeler is en zijdeachtig aanvoelt. Maar hij kreukt gemakkelijk en daardoor is hij bij kleding grotendeels verdrongen – of hij wordt gemengd met andere stoffen zodat de kwaliteit wordt verbeterd. Maar neen, deze stof bedoelen we niet.

We bedoelen kunstmatige zijde, een stof met vrijwel dezelfde eigenschappen als natuurlijke zijde. Heel licht en sterk. Het bedrijf Spiber maakt er parka’s van, binnenkort verkocht door de internationale luxe winkelketen Woolrich. Ze noemen hun product ‘gebrouwen eiwitten’. Gemaakt in een fermentatieproces uit suikers door micro-organismen. Het eerste exemplaar van hun parka ‘The North Face’ maakten ze in 2016 – hij werd tentoongesteld in het Toyota Municipal Museum of Art in Aichi, Japan. En binnenkort komt deze dus in massaproductie.

Zijderups

Nog meer bijzonder is de kunstmatige zijde gemaakt door het Amerikaanse bedrijf Kraig Biocraft Laboratories. Terwijl Spiber zijn kunstmatige zijde produceert met genetisch veranderde micro-organismen, heeft Kraig het oude werkpaard, de zijderups, genetisch zó aangepast dat deze een product maakt dat sterk lijkt op spinnenzijde. Een belangrijke stap, want spinnen eten elkaar op en spinnenfarms zijn daardoor niet mogelijk. Het bedrijf ziet voor zich de productie van ‘levensreddende kogelwerende materialen, lichter, dunner, flexibeler en taaier dan staal’ en ook van ‘medisch textiel, veiligheidskleding, textielcomposieten, sportkleding en modekleding.’ Misschien is het materiaal ook geschikt als wondmateriaal, kunstmatig bindweefsel, pezen; en andere biologische toepassingen.

Deze vooruitzichten waren er al in 2018. Sindsdien heeft Kraig te kampen gehad met tegenslag; vooral bij hun werkpaard, de zijderups. Het bedrijf is nog bezig de ‘robuustheid’ van hun zijderupsen te verbeteren. Het ziet geen mogelijkheid, de productie op te schalen zo lang ze nog ‘knelpunten ervaren in de productie’. Maar ze zeggen hard te werken aan het te boven komen van dit knelpunt; en dan hopen ze snel op te kunnen schalen naar grootschalige productie.

Interessant? Lees dan ook:
De ontmanteling van de koe
Naar een nieuwe landbouwpraktijk
De microbiële voedselrevolutie