Synthetische chloroplast is beter

Fluorescentie bij de ingekapselde fotosynthetische membranen van kunstmatige chloroplasten. Foto: Tarryn Miller (Science)

De constructie van een kunstmatige chloroplast biedt perspectief op de schone productie van brandstoffen en andere koolstofverbindingen met alleen licht en kooldioxide.

Door natuurlijke fotosynthetische membranen van spinazieplanten te combineren met ingenieuze microtoepassingen uit de vloeistofdynamica hebben Franse en Duitse onderzoekers synthetische chloroplasten gemaakt. Die blijken complexe en levensechte fotosynthetische processen na te bootsen en zijn zelfs efficiënter in zowel koolstoffixatie als energieproductie dan natuurlijke fotosynthese, zo blijkt uit een publicatie in Science van 8 mei. ‘Het ontwikkelde platform stelt ons in staat om nieuwe oplossingen te realiseren die de natuur tijdens de evolutie niet heeft onderzocht’, aldus onderzoeksleider en synthetische microbioloog Tobias Erb van het Max Planck Instituut for Terrestrial Microbiology in Marburg.

Apollo-project
Het kunstmatig herbouwen en beheersen van fotosynthese is volgens een begeleidend persbericht te beschouwen als het ‘Apollo-project van onze tijd’, omdat het mogelijk maakt ‘schone brandstof en koolstofverbindingen te produceren uit simpelweg licht en kooldioxide’. De Max Planck-onderzoekers maakten gebruik van twee recente technologische ontwikkelingen: allereerst synthetische biologie voor ontwerp en constructie van reactienetwerken voor afvang en omzetting van kooldioxide, en vervolgens microfluïdica, het op microschaal sturen van stromingen en processen in druppels op celformaat. ‘We hadden als eerste een energiemodule nodig waarmee we chemische reacties op een duurzame manier kunnen aandrijven’, legt Erb uit. ‘Bij fotosynthese leveren chloroplastmembranen de energie voor de fixatie van kooldioxide en die mogelijkheid hebben we in onze opzet benut.’ Hiertoe zijn thylakoïdmembranen geïsoleerd uit de bladgroenkorrels van spinazie, inclusief de enzymcomplexen die onder natuurlijke omstandigheden lichtenergie omzetten in de energiedragers adenosinetrifosfaat (ATP) en nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat (NADPH). Dit uit spinazie afkomstige fotosynthese-apparaat wisten zij robuust draaiende te krijgen. Voor de koolhydraatvormende donkerreactie maakten de onderzoekers gebruik van een zelf ontworpen kunstmatige metabolische module, de zogeheten CETCH-cyclus. Die bestaat uit achttien biokatalysatoren die kooldioxide efficiënter in suiker omzetten dan van nature in planten gebeurt. Na verschillende optimalisatierondes lukte het zo om een lichtgestuurde fixatie van kooldioxide in het lab te bewerkstelligen.

Microdruppeltjes
Om dit alles te monteren in een werkend en geautomatiseerd microsysteem is samengewerkt met biofysici en nanotechnologen van het Centre de Recherché Paul Pascal in Bordeaux. Het resulterende microfluïdische platform kan duizenden gestandaardiseerde druppels produceren die individueel toegerust zijn voor een gewenste metabole taak. Dit maakt het mogelijk stofwisselingsprocessen in tijd en ruimte door licht te laten sturen. Voor de nu ontwikkelde kunstmatige chloroplast betekent dit dat de bindingssnelheid voor koolstofdioxide honderd keer sneller is dan eerdere synthetisch-biologische benaderingen. Zo kunnen de microdruppeltjes worden geprogrammeerd om verbeterde of compleet nieuwe fotosynthetische processen te maken voor de synthese van allerlei biomedische moleculen of het vastleggen van koolstof en de productie van schone brandstoffen.

Zonnecellen
De niet bij deze publicatie betrokken biofysicus en fotosynthese-expert Rienk van Grondelle van de Vrije Universiteit Amsterdam is onder de indruk van de prestaties van het Duits-Franse onderzoeksteam. ‘Het is een fundamenteel interessant concept omdat het je in staat stelt om deelprocessen in of uit te schakelen. Natuurlijke fotosynthese is niet zo efficiënt omdat veel processen er juist op gericht zijn om het fotosynthese-apparaat uit te schakelen om schade door te veel licht te voorkomen’, aldus Van Grondelle. ‘De volgende cruciale en voor de hand liggende stap is om het systeem onder natuurlijke lichtomstandigheden optimaal te laten werken. In vergelijking met kunstmatige zonnecellen biedt dit op de natuur gebaseerde systeem het grote voordeel dat er intern reparatiemechanismen aanwezig zijn. Kunstmatige zonnecellen zijn wel efficiënter dan natuurlijke fotosynthese, maar als er iets kapot gaat, valt er ook echt niks meer aan te repareren.’