Fermentatie en precisiefermentatie
Fermentatie kennen jullie misschien wel. Dat is het proces waarbij we micro-organismen zoals gisten, bacteriën of schimmels gaan gebruiken om voedingsproducten beter, anders, en/of beter bewaarbaar te maken. Micro-organismen gaan namelijk bepaalde voedingscomponenten ‘opeten’ en ze omzetten in iets anders. Zo zorgt bakkersgist voor de omzetting van suikers naar alcohol in bier en wijn, en zorgen melkzuurbacteriën voor de omzetting van melksuiker naar melkzuur in yoghurt. Bij dat proces komen doorgaans nog een hoop andere stofjes vrij, die de smaak, textuur en andere eigenschappen van het product wijzigen.
Fermentatie is schering en inslag in onze voeding trouwens: brood, kaas, salami, koffie, thee, chocolade, zuurkool en kimchi, sojasaus, … Allemaal danken ze hun unieke eigenschappen aan de tussenkomst van deze ééncellige wezentjes.
Bier, kaas en gefermenteerde groenten zoals zuurkool: voorbeelden van klassieke fermentatie
Maar precisiefermentatie is next level. Want soms zijn we buitengewoon geïnteresseerd in één bepaalde stof, die wel in de natuur te vinden is, maar doorgaans moeilijk te verkrijgen is.
Sommige stofjes worden van nature aangemaakt door een bepaald micro-organisme. Vitamine B12 bijvoorbeeld, wordt van nature aangemaakt door bepaalde bacteriën. Een ander interessant nutriënt, omega-3 vetzuren worden dan weer aangemaakt door verschillende types micro-algen. Beide zijn nutriënten die noodzakelijk zijn voor een goede gezondheid, en die we vandaag de dag doorgaans hoofdzakelijk (of zelfs bijna uitsluitend) uit dierlijke producten (kunnen) halen. Pittig detail: die dieren maken die vitamine B12 en/of omega-3’s niet eens zelf aan, ze halen ze evengoed uit die bacteriën en algen. En doordat het voor onze planeet wel beter zou zijn als we wat minder vlees en vis eten, is het wel interessant om deze nutriënten dan rechtstreeks bij de bron te gaan halen.
Dus worden die bacteriën of algen in grote brouwtanks (fermentatietanks) gestoken, waar ze à volonté vitamine B12 en omega-3 vetzuren kunnen maken. Het zou mooi zijn moest het zo eenvoudig zijn. Maar ze doen dat natuurlijk niet vanuit niets: je moet ze ook eten geven. Suikers bijvoorbeeld, maar ook andere voedingsstoffen zodat ze kunnen overleven en onze gewenste stofjes aanmaken. En meestal hebben ze ook nog een paar extra duwtjes nodig om de juiste componenten te produceren. Dat kan door te spelen met temperatuur, licht, zuurtegraad, bepaalde voedingsstoffen meer of minder toe te voegen etc. Hier is fermentatie al een stuk preciezer dan in het geval van bier of yoghurt.
Klassieke wijnfermentatie (links), een bioreactor voor celculturen (midden, bron: Biotop) en algenkweek (rechts)
Maar we kunnen nog verder gaan door hun DNA hier en daar wat te tweaken. Zo kan je bepaalde genen aan- of uitschakelen, hun werking opdrijven of juist verminderen, of lichtjes aanpassen. Kleine genetische wijzigingen, die ervoor zorgen dat de micro-organismen, die onze gewenste stofjes ook van nature al maakten, dat in grotere hoeveelheden doen.
Maar je kan nog een stap verder gaan, en dan komen we even terug op de case van insuline-productie. Want uiteraard maakt geen enkel micro-organisme van nature menselijke insuline aan. Om dat te verkrijgen hebben biotechnologen het menselijke gen (stukje DNA) dat verantwoordelijk is voor de productie van insuline, ingebracht in een veelvoorkomend en gemakkelijk groeiend micro-organisme zoals gewone bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae) of yoghurt-bacteriën (lactobacillus sp.). Met als resultaat dat die gisten of bacteriën in hun brouwtank voldoende insuline kunnen maken om aan de (helaas) stijgende vraag te voldoen. Besef wel dat dit proces helemaal niet zo eenvoudig is als ik het hier nu laat uitschijnen, en met heel wat technische uitdagingen gepaard gaat, maar hier komt het wel op neer. Preciezer kan je fermentatie niet maken lijkt me.
Onderstaand filmpje geeft ook een mooi beeld van wat precisiefermentatie juist is.
Verbijsterende mogelijkheden
In de vorige paragraaf werden enkele voorbeelden gegeven die momenteel al in gebruik zijn. Maar er is meer. Veel meer. En wat nog niet is, kan misschien nog komen. De mogelijkheden zijn alleszins indrukwekkend.
Want zelfs met ‘eenvoudige’ precisiefermentatie – waar weinig of geen aanpassingen aan het DNA aan te pas komen – kan al veel. Micro-organismen zijn namelijk ontzettend divers. Ze bestaan in zoveel verschillende soorten en maten, dat ze ook een heel divers aanbod aan interessante stofjes kunnen maken. Zo maken sommige micro-organismen (schimmels bijvoorbeeld) vitamine D aan. Ook interessant, want de Westerse bevolking kampt met een collectief tekort. Maar ze maken ook eiwitten aan, waarvan de samenstelling en voedingswaarde soms interessanter is dan die van planten. Microbieel eiwit is zelfs al in de supermarkt te vinden, onder de naam Quorn. Er zijn heel wat kleine en grote spelers bezig met nieuwe ontwikkelingen als alternatieven voor vlees. Ook in Vlaanderen zijn een aantal voorbeelden, zoals Avecom en Calidris Bio. En aan alle Vlaamse universiteiten en andere onderzoeksinstituten (bijvoorbeeld het VIB – Vlaams instituut voor de Biotechnologie) loopt heel wat onderzoek naar nieuwe mogelijkheden.
De ‘full-force’ precisiefermentatie – waar genen uit een dier of plant of … in een micro-organisme worden geplaatst – breidt dat scala aan mogelijkheden nog eens exponentieel uit. De technologie wordt al toegepast zowel in medische context als voor voeding sinds de jaren ’70.
In de medische wereld is dit zelfs een standaard productiemethode geworden: naast insuline worden ook andere groeihormonen, vaccins, antilichamen voor immunotherapieën en bloedfactoren (voor de behandeling van hemofilie) vaak via deze methode aangemaakt. En er zijn nog heel wat toepassingen komende: in onderzoeksfase zitten onder andere de productie van Taxol (voor chemotherapie, normaal geëxtraheerd uit Taxus-bladeren), van THC (inderdaad, de actieve stof uit Cannabis, die ook meer en meer in medische context wordt gebruikt) en van opioïden (de groep verdovende middelen waar pijnstillers zoals codeïne, morfine en oxycodon tot behoren, maar ook illegale drugs zoals opium en heroïne). Wie daarmee vreest voor een open deur naar massaproductie van illegale drugs, mag zich troosten met de gedachte dat de ontwikkeling van zo’n proces veel kennis, jarenlang onderzoek en enkele miljarden aan investeringen vergt. Gemakkelijker gezegd dan gedaan dus.
In de voeding is het oudste en meest toegepaste voorbeeld de productie van stremsel (chymosine): een component die vroeger uit magen van kalveren werd gehaald, en die standaard gebruikt wordt bij de productie van kaas. Stremsel is een enzyme: stofjes die door levende wezens gemaakt en gebruikt worden om een component om te zetten naar iets anders, af te breken of te wijzigen. Enzymes worden vaak gebruikt bij de productie van voeding: bv. lactase om melksuikers af te breken voor lactosevrije melk, amylasen, xylanase en lipasen om de textuur en aroma van brood te verbeteren (‘broodverbeteraars’), proteasen om de schuimstabiliteit van bier te verbeteren of pectinasen om sappen te klaren. Ze worden vaak ook gemaakt via precisiefermentatie. En doordat het stremsel bij deze productiewijze niet meer uit kalveren moet gehaald worden, kan het ook gebruikt worden om volledig vegetarische kazen te maken.
Maar de laatste decennia zijn er veel nieuwe mogelijkheden onderzocht en in ontwikkeling. Vooral om alternatieven te vinden voor interessante stoffen (vaak eiwitten) uit dierlijke producten. Het Amerikaanse Impossible Foods maakt hemoglobine, het eiwit dat verantwoordelijk is voor de rode kleur en typische vleessmaken van welja, rood vlees. Verschillende bedrijven en bedrijfjes leggen zich toe op het produceren van melkcomponenten met als doel ‘melk zonder koe’ te maken. Zoals het Amerikaanse Perfect Day, of wat dichterbij, het Belgische Those Vegan Cowboys of het Nederlandse Vivici. Het eveneens Belgische InBiose legt zich dan weer toe op de productie van componenten uit moedermelk, om flesvoeding voor baby’s nog beter vergelijkbaar te maken met ‘the real thing’. Ook ei-eiwit is een interessant product om biotechnologisch te maken, dat . Het (weeral) Amerikaanse The EVERY company maakt de ei-component ovalbumine, en werkt daarbij samen met brouwerij AB Inbev voor de opschaling. Dat lijkt een vreemde samenwerking, maar als je je herinnert dat het proces veel weg heeft van bier brouwen, en daar ook min of meer dezelfde machinerie (brouwtanks) voor nodig heeft, is het wel logisch.
En misschien voor de volledigheid: naast voeding en medische toepassingen zijn er ook tal van mogelijkheden in onder andere cosmetica en huishoudproducten. Beide proberen meer en meer gebruik te maken van natuurlijke componenten in plaats van ‘harde’ chemicaliën, of dierlijke componenten te vervangen door niet-dierlijke. Maar omdat deze soms moeilijk in voldoende grote hoeveelheden uit de natuur te halen zijn, is biotechnologische productie wel een interessante piste. Hetzelfde geldt voor materialen zoals textiel en bouwmaterialen. Daarbij wordt namelijk heel veel plastic ingezet omdat dat goedkoper is en goede eigenschappen heeft, maar de afvalberg die dat genereert is behoorlijk problematisch. Biotechnologie kan daar helpen om meer natuurlijke materialen te bekomen die ook geen vervuiling genereren.
En is dat dan ook duurzamer?
Want er moeten ook goede redenen zijn om met een dergelijke productiemethode te werken natuurlijk. Een eenduidige ja of neen kan ik je niet geven want het hangt af van de case: in cases waar de huidige productiemethode heel belastend is, zal deze methode allicht beter scoren. Micro-organismen groeien doorgaans snel en efficiënt, en de technologie biedt ook mogelijkheden om afvalstromen opnieuw om te zetten in waardevolle (voedings)stoffen. Voor materialen komt daar ook bij dat componenten geproduceerd door levende organismen doorgaans beter bio-afbreekbaar zijn en een lagere milieutoxiciteit vertonen ten opzichte van de gangbare plastics.
Jammer genoeg is het allesbehalve evident om de milieu- en klimaatimpact van verschillende productiemethoden voor voeding en materialen te berekenen en met elkaar te vergelijken. Er zijn namelijk verschillende aspecten aan duurzaamheid die je niet één op één kan vergelijken (CO2 uitstoot en effect op klimaat, milieutoxiciteit, water- en landgebruik, effect op biodiversiteit, …) en bovendien is er vaak ook geen betrouwbaar cijfermateriaal voorhanden. Het vergt intensieve studies (levenscyclus analyse of LCA), en dan nog is het resultaat afhankelijk van de gebruikte berekeningsmethode en cijferbron, en de gemaakte veronderstellingen. Maar een cijfermatig onderbouwde berekening met enige gebreken is nog altijd beter dan puur giswerk natuurlijk.
In onze reeks ‘Is het 12u of hebben we nog wat tijd?’ lees je meer over de verschillende aspecten van duurzaamheid.
Het komt er vooral op aan om de verschillende mogelijkheden en productiemethoden met elkaar te vergelijken en er niet van uit te gaan dat het ene wel beter zal zijn dan het andere. Want het hangt echt wel af van case tot case en heel erg veel verschillende factoren en omstandigheden. Een combinatie van verschillende productiemethoden is daarbij meestal best, ook omdat we dan minder afhankelijk zijn van één enkele methode.
Plantencellen en dierlijke cellen
Nog kort voor diegenen die het zich afvroegen. We hebben het hier de hele tijd gehad over kweek van micro-organismen om specifieke componenten te produceren. Maar in principe kan je natuurlijk ook plantencellen of dierlijke cellen kweken in tanks. Denk maar aan het beruchte ‘kweekvlees’. Maar daar wijden we wel een apart blogartikel aan.
Maar er kunnen dus ook bijvoorbeeld pancreascellen gekweekt worden die van nature insuline kunnen aanmaken – waardoor het misschien niet nodig is genetische modificatie toe te passen. Nadeel van dierlijke cellen is wel dat ze een knusse 36°C vergen om te kunnen groeien, waardoor het hele proces een pak meer energieverslindend is dan microbiële groei, waar kamertemperatuur vaak wel voldoende is (hoewel velen ook beter groeien bij hogere temperaturen).
Plantencellen hebben dat nadeel dan weer niet. Daarom wordt er intussen al geëxperimenteerd met celculturen van vanille, koffiebonen en cacao. Zodanig dat we onze favoriete smaken niet zullen moeten missen aangezien de teelt van deze gewassen door de vele klimaatgrillen begint te slabakken. En het opent ook veel mogelijkheden voor de medische wereld. Een onderzoeksveld in ontwikkeling om naar uit te kijken!
Bronnen en meer info
The website van ‘Cellular Agriculture Europe’ een initiatief van de bedrijven en start-ups die werken rond celculturen en proecisiefermentatie. https://www.cellularagriculture.eu/
Uitleg over precisiefermentatie van The Good Food Institute, een non-profit organisatie en denktank die werkt aan het promoten van alternatieve eiwitbronnen en de eiwitshift. https://gfieurope.org/precision-fermentation/
Cell factories for insulin production. Nabih A Baeshen1, Mohammed N Baeshen1, Abdullah Sheikh1, Roop S Bora1, Mohamed Morsi M Ahmed1,2*, Hassan A I Ramadan1,3, Kulvinder Singh Saini1 and Elrashdy M Redwan1,4. Baeshen et al. Microbial Cell Factories 2014, 13:141
Fermenting the Future: The Growing Opportunity for Products Made with Precision Fermentation. Hartman Group white paper, 2022.
Lees hier de andere delen van de reeks
Hacking nature, deel 1: Hoe we de natuur al eeuwen naar onze hand zetten
Deze reeks gaat over biotechnologie, gebruik maken van natuurlijke processen en systemen en ze aanpassen om ons te helpen. Op wettelijk vlak is daar in Europa namelijk één en ander aan het veranderen, want waar sommige landen er misschien wat te nonchalant mee omsprongen, was Europa misschien wat te voorzichtig en smeten we misschien het kind met het badwater weg?