Fotosynthese: planten hebben er een efficiënt overlevingsmechanisme van gemaakt, maar wetenschappers krijgen moeilijk greep op het concept. Dat zou anders nuttig zijn om de landbouwproductie op te drijven en biologische fabriekjes te maken. Een stand van zaken.
Fotosynthese is een van de belangrijkste natuurlijke innovaties op weg naar complex leven geweest. Planten hebben in de loop van die lange geschiedenis een mechanisme ontwikkeld om zonlicht in te schakelen voor de productie van energierijke suikers uit water en koolstofdioxide (CO2), met zuurstof als restproduct. Daardoor verhoogde de hoeveelheid zuurstof in de atmosfeer substantieel en kon leven met longen of andere ademende functies ontstaan. Zonder fotosynthese zouden wij niet bestaan, zeker niet in onze huidige vorm.
Over de oorsprong van fotosynthese tasten wetenschappers in het duister. Ze nemen aan dat het proces ongeveer een miljard jaar geleden begonnen is, toen er van complex dierlijk leven nog lang geen sprake was. Ze verbazen zich erover dat het proces nooit echt verfijnd is geraakt: maximaal 5 procent van de zonne-energie die een plant opneemt, wordt omgezet in suikers en groei. Dat is bijzonder inefficiënt. Maar het kan natuurlijk dat een plant gewoon geen voordeel haalt uit snellere of sterkere groei.
Door te sleutelen aan tabaksplanten, werd hun opbrengst met 15 tot 20 procent verhoogd
De mensheid heeft van groei natuurlijk een fetisj gemaakt. In de wetenschap dat in 2050 meer dan 9 miljard mensen moeten worden gevoed, wordt koortsachtig gezocht naar technieken om onze voedselvoorziening met minstens 50 procent op te drijven. Al een tijdlang wordt daarbij naar fotosynthese gekeken. Als we de fotosynthese van een gewas efficiënter kunnen maken, kunnen we de productie van dat gewas beduidend verhogen: dat is het uitgangspunt.
Flessenhalzen in planten
Sleutelen aan het mechanisme van fotosynthese is allesbehalve gemakkelijk. Dat blijkt uit een recente stand van zaken in Nature. Fotosynthese is namelijk niet één eenvoudig proces. Het is een kettingreactie van fysische en chemische gebeurtenissen die tot de vorming van energierijke suikers voor de plant leiden. Wetenschappers nemen elke tussenstap in detail onder de loep en kijken of er verbetering mogelijk is. Hun onderzoek speelt zich vandaag af op drie domeinen.
Om te beginnen is er het fenomeen dat wetenschappers ‘plantaardige zonnecrème’ noemen. Ook planten zijn overgevoelig voor een te hoog gehalte aan zonlicht. Daarom hebben ze pigmenten die licht weerkaatsen als er te veel binnenkomt. Neemt het licht weer af, dan duurt het minuten vooraleer die pigmenten weer worden uitgeschakeld. In situaties met dicht op elkaar geplante stengels, bijvoorbeeld op velden, kunnen de bovenste bladeren zo veel zonlicht weerkaatsen dat de onderste bladeren (of kleinere planten) er te weinig krijgen om een optimale groei te garanderen. De conclusie van wetenschappers: blokkeer je de zonwerende activiteit van een gewas, dan verhoog je zijn opbrengst.
Eind 2016 publiceerde Science de eerste veelbelovende resultaten van zo’n ingreep. Door te sleutelen aan de werking van drie genen die in de productie van zonwerende pigmenten meespelen, werd de opbrengst van tabaksplanten in een veld met 15 tot 20 procent verhoogd. In plaats van genen uit een ander organisme toe te voegen, stimuleerden de onderzoekers de eigen genen van de planten artificieel. Volgens sommigen valt hun procedure daardoor niet onder de klassieke reguleringsmechanismen voor genetische manipulatie.
De bladgroenkorrels in de bladeren van een plant reduceren: dat is de tweede manier om greep op fotosynthese te krijgen. Het bladgroen is de locatie waar dat proces in gang wordt gezet. Complexen van chlorofylmoleculen vangen er het zonlicht op en stuwen energie naar de plaatsen waar de chemische reacties plaatsvinden. Bladgroen reduceren om de groei te stimuleren lijkt contra-intuïtief, maar ook hier geldt: als de bovenste bladeren te veel bladgroen hebben, stroomt er te weinig zonlicht door naar de onderste. Dat licht meer over een plant spreiden kan dus groeiwinst opleveren.
Er worden ook pogingen gedaan om meer golflengtes uit het lichtspectrum voor fotosynthese te gebruiken. Daardoor zouden planten meer efficiëntie uit het invallende zonlicht kunnen halen. Alle types bladgroenmoleculen kunnen een eigen frequentie uit het lichtspectrum aan, maar bijvoorbeeld zogenoemd verrood licht gebruiken ze niet, terwijl dat meer energie bevat dan andere golflengtes. In Science beschreven wetenschappers succesvolle pogingen om via genetische ingrepen bladgroenmoleculen van fotosynthetiserende bacteriën zo bij te sturen dat ze verrood wél aankonden. Als in planten iets vergelijkbaars zou kunnen, zou je hun groeimogelijkheden opnieuw met 15 tot 20 procent verhogen.
Mogelijkheid nummer drie situeert zich in de volgende fase van de fotosynthese. Nadat zonlicht is gebruikt om energie te produceren (fase 1), worden met die energie water- en CO2-moleculen in suikers omgezet (fase 2). Een studie in Nature Communications beschrijft hoe wetenschappers die energietransfer in beeld kunnen brengen met ultrasnelle beeldvorming. Het hele lichtomzettingsproces neemt amper enkele miljardsten van een seconde in beslag. Toch zijn er ‘flessenhalzen’: de traagste schakel, zo blijkt, is de overdracht van de energie naar de plaats waar de omzetting in suikers plaatsvindt.
Een plant haalt bovendien veel meer energie uit het licht dan ze nodig heeft om suikers te produceren. Erg is dat niet: de overtollige energie voert ze gewoon af als warmte. Maar als je meer energie in chemische verbindingen zou kunnen omzetten, zou je haar groeiproces versterken. Vorige herfst publiceerde ACS Synthetic Biology een manier om dat te doen. Wetenschappers maakten een synthetisch gen voor wiertjes. Het produceert een enzym waarmee meer lichtenergie naar het verwerkende compartiment van de bladgroenkorrels wordt geleid, zodat er meer suikers worden gemaakt.
Het enzym dat de CO2-moleculen bij de omzetting moet vasthouden, gaat ook geregeld in de fout, bijvoorbeeld doordat het een zuurstofmolecule vasthoudt. Dat is niet schadelijk voor de plant, maar het vermindert de efficiëntie van het proces wel. Door aan chemische reacties te prutsen, hopen wetenschappers een extra groei van 20 tot misschien zelfs 30 procent te realiseren. In gecontroleerde omstandigheden werkt dat al met de zandraket, de laboratoriumrat onder de planten. Tot er veldtesten met echte gewassen gedaan zijn, blijft voorzichtigheid troef. Planten kunnen, net zoals dieren, weerstand bieden tegen ingrepen in hun structuur voor doeleinden waaruit ze zelf geen voordeel halen.
Dat voorbehoud geldt zeker bij de pogingen om de fotosynthese van rijstplanten even efficiënt te maken als bijvoorbeeld die van maïsplanten. Daartoe zou een proces met drie kool-stofatomen per energieproductie-eenheid moeten overgaan in een proces met vier koolstofatomen, goed voor een efficiëntiewinst van 50 procent. Omdat rijst een van onze belangrijkste voedingsgewassen is, zou dat een gigantisch verschil in voedselvoorzieningscapaciteit opleveren. Helaas moet je daartoe niet alleen de fotosynthese zelf aanpassen, je moet ook de anatomie van de rijstplant en vooral haar bladeren veranderen. Analisten voorspellen in Nature dat het minstens tot 2039 zal duren vooraleer dat onderzoek vrucht draagt.
Een chip als blad
Wetenschappers zoeken ook naar manieren om via fotosynthese stoffen voor menselijk gebruik te produceren, als het ware in biologische fabriekjes. Die fabriekjes zijn niet te vergelijken met de zonnecellen van vandaag de dag: die zetten zonne-energie om in elektriciteit, die vervolgens opgeslagen moet in peperdure batterijen. Planten slaan de energie uit zonlicht daarentegen op in chemische verbindingen, dus letterlijk als een vorm van brandstof.
Wetenschappers zijn in staat om een artificieel blad meststoffen te laten produceren
Volgens een recent overzicht in New Scientist monden de goede bedoelingen nog niet uit in grote doorbraken. Wat sommigen omschrijven als een ‘kunstmatig blad’ is voorlopig niet meer dan een piepkleine chip. Daarop groeien bacteriën die zonne-energie omzetten in wat voor vloeibare brandstof zou kunnen doorgaan. Vorig jaar kwam er wel nieuws, toen wetenschappers in Science aantoonden dat je bacteriën zelf een efficiënte verbinding met de lichtomzetter kunt laten maken. Zo creëer je een brandstofcel op zonne-energie die in staat is zichzelf te vermenigvuldigen.
In een eerste toepassing zijn wetenschappers in staat om, weliswaar op minieme schaal, een artificieel blad stikstofhoudende meststoffen te laten produceren aan de hand van zonlicht. Momenteel gebeurt dat in een industrieel proces dat enorm bijdraagt tot de klimaatopwarming, omdat het veel CO2 loslaat. De sleutel tot de omzetting zijn bacteriën die gevoed worden door lichtdeeltjes. Omdat niets gemakkelijker is dan genetisch sleutelen aan bacteriën, wordt al hardop gedroomd van kunstmatige fotosynthese, onder meer om geneesmiddelen en biologisch afbreekbare plastics te produceren. The Journal of Materials Chemistry A maakte een manier bekend om een kunstmatig blad lucht te laten zuiveren, op basis van een experimentele set-up die gebruikmaakt van blauw licht. Dat zou ooit tot dakpannen moeten leiden die tegelijk groene stroom voor uw woning produceren én de buitenlucht zuiveren.
Maar zover zijn we nog niet. Vorige herfst publiceerde Nature Communications over een eerste kunstblad dat meer was dan een piepklein chipje. Het leek wat op een zonnepaneeltje van 8 bij 8 centimeter. Het gebruikt zonlicht om waterstof – een potentiële brandstof – te produceren. Zijn rendement is laag: 3,9 procent van de lichtenergie wordt in de waterstofproductie gepompt. In vergelijking met de plantaardige fotosynthese is dat normaal. Om economisch rendabel te zijn voor de industrieel denkende mens, volstaat het niet. Willen we de nieuwe technologie tot bruikbare oplossingen laten leiden, dan moeten we nog veel sleutelen.
Fout opgemerkt of meer nieuws? Meld het hier
