De biobased economy is een praktische aangelegenheid: de efficiënte verwerking van landbouwproducten en landbouwafval tot chemische stoffen en materialen. Maar aan de puur wetenschappelijke randen van de biotechnologie gebeurt ook het nodige: onderzoekers proberen processen in de levende natuur beter te begrijpen. Jan van Hest, hoogleraar aan de Radboud Universiteit Nijmegen geeft inzicht in de bio-organische chemie.
De synthetische biologie heette vroeger gentechnologie; deze tak van wetenschap werkt top-down vanuit de cel. De chemische biologie gaat bottom-up uit van het molecuul. Beide onderzoeksgebieden groeien langzaam naar elkaar toe en vormen zelfs hier en daar al een overlap. De synthetische biologie probeert (voor bepaalde toepassingen) ‘nutteloze’ eigenschappen uit de cel te verwijderen en zoekt naar wat minimaal nodig is om de cel aan de gang te houden. In feite proberen onderzoekers zo synthetisch leven te construeren; ze doen dat door de ‘hardware’ van de bestaande cel zoveel mogelijk in stand te houden en die cel van nieuwe ‘software’ te voorzien door sommige genen uit te schakelen en andere in te brengen. En vervolgens te onderzoeken wat die cel nog kan en of hij doet wat wij van hem willen.
‘Heel knap werk,’ volgens Jan van Hest, hoogleraar bio-organic chemistry aan het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit Nijmegen. ‘Ik denk dat je uiteindelijk ongeveer 150 genen nodig hebt voor het maken van eiwitten waarmee je een cel aan de gang kunt houden. Daarna voeg je weer andere eiwitten toe – ongeveer zoals je een kerstboom optuigt – en dan heb je een cel, of een bacterie, die exact doet wat je wilt. Zo zal de nieuwe fermentatie in de biobased economy er op een gegeven moment uit gaan zien. Zodat we chemische producten kunnen maken met behulp van zeer nauwkeurig geconstrueerde en geprogrammeerde bacteriën. Tegen die tijd hebben we veel meer inzicht gekregen in natuurlijke processen en kunnen we de opbrengst van het biotechnologische proces aanzienlijk verhogen. Dit is de verst ontwikkelde, en steeds meer toegespitste, kant van de synthetische biologie geworden. Veel bedrijven beschikken al over dergelijke bacteriën, plug bugs genaamd, die zulke fermentatieprocessen voor hen kunnen uitvoeren.’
Heilige graal
Jan van Hest is zelf vooral bezig met de chemische biologie die processen in de levende cel beter probeert te begrijpen en tracht langs die weg een nieuwe, levende cel te bouwen of die te veranderen; en dat zonder in te grijpen in de genen, zoals de synthetische biologie dat doet. ‘Chemisch biologen doen dat bijvoorbeeld door kleine moleculen te maken die in de cel bepaalde processen aan en uit kunnen zetten. Dus niet via de genen, maar met behulp van kleine eiwitten. Daarnaast zoeken we ook naar kleine moleculen die specifiek binden aan de actieve kant van eiwitten. Activity based profiling, zoals deze methode wordt genoemd, is een activiteit die vooral wordt toegepast voor het maken van nieuwe medicijnen. Chemisch biologen slagen er ook steeds meer in om controle te krijgen over de chemie in levende systemen. Een goed voorbeeld vormen eiwitmoleculen die eiwitten, suikers en vetzuren in het menselijk lichaam kunnen koppelen met niet-natuurlijke componenten. Via slimme methoden worden reactieve elementen in de cel ingebouwd. De positie van deze elementen lezen we daarna uit door gebruik te maken van chemisch zeer selectieve probe-moleculen. Deze technologie passen we bijvoorbeeld toe met de suikermantel die om cellen aanwezig is. Die mantel verandert in tijd en samenstelling onder bepaalde omstandigheden, zoals ziekte. Door de koppeling met zulke eiwitmoleculen kunnen we dus gecontroleerde chemie op het niveau van de cel uitvoeren. Een stap verder is dat we kunstmatig DNA (wij noemen het XNA, waarbij de nucleobasen op een andere manier dan via fosfaten aan elkaar gekoppeld zijn) als alternatief voor DNA kunnen gebruiken. Het is een voorbeeld van de manier waarop synthetische biologie en chemische biologie op fundamenteel niveau naar elkaar toe groeien; en ook van de manier waarop onderzoekers op cel- en moleculair niveau werken aan verbetering van biotechnologische processen en daarmee van de biobased economy.’