WetenschapFotosynthese

Onderzoek tilt fotosynthese naar hoger niveau, de mens krijgt plantentruc in de vingers

De rood oplichtende cirkels zijn druppels water, van nog geen honderdste millimeter in doorsnede, in olie. De kleur rood vertelt de onderzoekers dat hun proef is geslaagd.Beeld Getty Images Science

Een ploeg Europese onderzoekers tilt fotosynthese naar een hoger niveau, door natuur en techniek te combineren in minuscule waterdruppels.

De foto lijkt een artistiek beeld, een kunstwerk. Niet een kunstwerk ‘zonder titel’, maar met een titel als ‘Leerling van de natuur’, of zoiets. Het beeld symboliseert een nieuwe en geslaagde poging van de mens om in de buurt te komen van wat planten dag in dag uit presteren.

De rood oplichtende cirkels zijn druppels water in olie. Heel kleine druppels, met een doorsnede van nog geen honderdste millimeter. En het rood maakt zichtbaar dat er in die druppels iets gebeurt: er wordt een energierijke verbinding aangemaakt die je in vrijwel iedere plant vindt. Het oplichtend rood is een truc, die de makers van deze druppels vertelt dat hun proef is geslaagd. 

De microdruppels zijn vervaardigd door een groep Duitse en Franse onderzoekers, die deze week in Science het resultaat publiceerden. De commentator van dat vakblad noemt het een doorbraak in de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthese. “Dat is het zeker”, beaamt Vitor Martins dos Santos, hoogleraar synthetische biologie aan Wageningen Universiteit. Marins dos Santos is goed bekend met het werk van de Duitse en Franse onderzoeksgroepen, en blij dat dit nu is gepubliceerd. “Dit zal niet meteen de hele wereld veranderen, maar dit is een veelbelovende weg naar allerlei toepassingen van fotosynthese.”

Nieuwe stap in kunstmatige fotosynthese

Ook Huub de Groot is enthousiast over deze nieuwe stap in de kunstmatige fotosynthese. De Groot is hoogleraar biochemie in Leiden en wetenschappelijk directeur van Biosolar Cells, een nationaal onderzoeksprogramma dat inmiddels is afgerond – en dat als het goed is een Europese opvolger krijgt. “In de publicatie wordt een nieuwe weg ingeslagen om fotosynthese naar een hoger niveau brengen.”

De mens is er weliswaar in geslaagd het vuur van de goden te stelen, maar hij heeft de fotosynthese nog niet aan de plant kunnen ontfutselen. Planten, algen en sommige bacteriën zijn in staat om uit zonlicht en CO2 materialen te bouwen die het leven nodig heeft: de koolwaterstoffen. Mensen en dieren kunnen dat niet en zijn voor hun leven afhankelijk van de primaire productie in het plantenrijk. 

Fotosynthese is de motor van die primaire productie. Het is een enorm complexe motor, die zonlicht omzet in chemische energie, waarmee vervolgens CO2 uit de atmosfeer wordt omgezet in suikers. De mens is al eeuwen bezig die motor te doorgronden, en nog steeds worden er nieuwe onderdelen ontdekt. Zo zijn nog lang niet alle genen bekend die bij fotosynthese betrokken zijn. Hun aantal loopt waarschijnlijk in de duizenden.

Pogingen

Je weet pas hoe iets werkt als je het hebt nagebouwd, zegt een bekende wijsheid. Er worden allerlei pogingen gedaan tot kunstmatige fotosynthese. En niet alleen om het geheim van de plant te doorgronden, maar ook om nuttige en duurzame toepassingen te ontwikkelen. Wie fotosynthese onder de knie heeft, kan met zonlicht de overmaat CO2, die nu het klimaat verandert, uit de atmosfeer halen en omzetten in nuttige producten, van fijnchemicalïen tot brandstoffen.

Volledig kunstmatige fotosynthese is waarschijnlijk een illusie. Te ingewikkeld. Wel kunnen delen van de motor worden nagebouwd, en gecombineerd met onderdelen uit de natuur. Dat hebben ook deze Duitse en Franse onderzoekers gedaan. “Je brengt dan het beste van twee werelden bij elkaar”, zegt Martins dos Santos. “Dat is veel beter dan volledig artificiële fotosynthese.”

De onderzoekers hebben uit de natuur de energievoorziening van de motor gehaald. Fotosynthese begint met het omzetten van zonlicht in chemische energie. Dat gebeurt in chloroplasten, de bladgroenkorrels van planten. In die bladgroenkorrels vind je membraanstructuren die als pannekoekjes op elkaar liggen. Dat zijn de zogeheten thylakoïden, waarin die lichtreactie plaatsvindt.

Spinazie

De onderzoekers hebben thylakoïden gehaald uit spinazie. En de rode kleur in de afbeelding laat zien, dat ze buiten de plant, in het door hen gebouwde systeem, nog steeds hun werk doen. Vervolgens hebben de wetenschappers deze energiebron gecombineerd met een biosynthetische cyclus die CO2 omzet in een koolstofverbinding. Niet zo'n complexe cyclus als in de natuurlijke fotosynthese, maar toch een flink bouwwerk: er zijn zestien enzymen betrokken bij de verschillende stappen in de cyclus.

“Dit is slim gedaan”, zegt Huub de Groot. “De combinatie met de thylakoïden uit de plant maakt het systeem stabiel. Instabiliteit is een groot probleem van kunstmatige fotosynthese. Je hebt het over een keten van reacties waarbij enzymen, eiwitten, betrokken zijn. Die gaan heel makkelijk kapot, zeker als je ze in het zonlicht brengt. Inbedding in die natuurlijke membraanstructuren voorkomt dat. Bovendien lijken in deze cyclus geen tussenproducten te ontstaan die energieverlies of schade geven. Dat is langs puur artificiële weg nog niet gelukt.”

Tweede slimmigheid is dat de combinatie van natuurlijke energiebron en biosynthetische motor is ondergebracht in minuscule waterdruppels. Je kunt zo'n biochemische cyclus bedenken, maar die moet je wel ergens kunnen uitvoeren, zegt Martins dos Santos. Microdruppels, een techniek die in de biochemie nog vol in ontwikkeling is voor allerlei doelen, biedt hier uitkomst. Martins dos Santos: “Met water in olie kun je miljoenen van die microdruppels maken. Oneindig veel in feite. En de chemische reacties die daarin plaatsvinden kun je sturen.”

Denk bij toekomstige toepassingen niet meteen aan biobrandstoffen, zegt de Wageningse hoogleraar. Voor zijn brandstoffen heeft de mens grootschalige systemen opgezet die niet zo maar te vervangen zijn door kunstmatige fotosynthese. Kunstmatige fotosynthese zal in eerste instantie vooral ontwikkeld worden voor de productie van koolwaterstoffen die nodig zijn in voeding of medicijnen. Een verfijnde productie, uit zonlicht en CO2.

Lees ook:

De oplossing zit onder de motorkap van de plant

Meer voedsel nodig? Meer energie? En minder CO2? Dat kan. Door de motor van de plant op te voeren.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden