Onderzoekers van de Technische Universiteit van München hebben een systeem op zonne-energie ontwikkeld dat koolstofdioxide en hernieuwbare waterstof omzet in aminozuren. Het proces is modulair, op enzymen gebaseerd en bevindt zich momenteel in de proof-of-conceptfase. Er zijn nog geen commerciële toepassingen. Wat het wel aantoont, is dat hernieuwbare elektriciteit, koolstofafvang en biochemische productie naadloos in elkaar kunnen overgaan.
Hoe het enzymsysteem werkt
Het proces verloopt in fasen. Hernieuwbare elektriciteit produceert eerst waterstof door middel van elektrolyse. Die waterstof combineert met koolstofdioxide tot methanol. Gespecialiseerde enzymen zetten de methanol vervolgens om in een reeks reacties totdat het aminozuren vormt, de basisbouwstenen van eiwitten.
Het team beschrijft het ontwerp als "plug-and-play". Enzymmodules kunnen worden verwisseld of aangepast, afhankelijk van de gewenste verbinding. De nieuwste versie produceert zeven aminozuren. Eerder onderzoek had de methode alleen voor L-alanine aangetoond. De nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Communications, voegt daar glycine, serine, L-asparaginezuur, L-valine, L-glutaminezuur en L-proline aan toe.
Viktoria Lehmann, promovenda aan de leerstoel Chemie van Biogene Bronnen van de Technische Universiteit München (TUM), zei dat aminozuren veelvuldig worden gebruikt in diervoeding om de eiwitbehoefte aan te vullen, met name in de zuivelproductie. Ze gaf aan dat de bestaande productiemethoden te veel grondstoffen verbruiken.
Het team van de Technische Universiteit München plaatst het onderzoek in de context van een urgent landbouwprobleem. Projecties van de Verenigde Naties suggereren dat de wereldwijde vraag naar voedsel tegen 2050 met ongeveer 60 procent zou kunnen stijgen. De beschikbare landbouwgrond zal naar verwachting in dezelfde periode slechts marginaal toenemen.
De context van voedselzekerheid
Die kloof wakkert de interesse aan in eiwitproductieketens die minder afhankelijk zijn van land, water en energie-intensieve gewassen. De conventionele productie van aminozuren verbruikt aanzienlijke hoeveelheden van elk. Een door zonne-energie aangedreven, op CO₂ gebaseerde route zou de afhankelijkheid van deze inputs verminderen, althans in principe.
Volker Sieber, hoogleraar chemie van biogene grondstoffen en rector van de TUM Campus Straubing, zei dat het project zonlicht omzet in chemische energiedragers, die vervolgens worden omgezet in nuttige bouwstenen voor eiwitten. Hij gaf aan dat deze aanpak op termijn de productiviteit van beschikbare grond zou kunnen verbeteren en een duurzamere productie van aminozuren zou kunnen ondersteunen.
Die beweringen moeten nog op grotere schaal worden getest. De onderzoekers erkennen dat de huidige productie veel te laag is voor commerciële toepassing.
Het TUM-team ziet toepassingen die verder gaan dan veevoeding. De zeven aminozuren die het systeem momenteel produceert, zijn ook belangrijke ingrediënten in voedingsbodems voor de kweek van vlees. Die toepassing verbindt de technologie met een afzonderlijk, maar verwant initiatief om de landvoetafdruk van de eiwitproductie te verkleinen.
Potentiële toepassingen buiten diervoeding
De onderzoekers zijn van mening dat hetzelfde platform uiteindelijk ook andere op CO₂ gebaseerde waardeketens zou kunnen ondersteunen, hoewel ze in de gepubliceerde materialen niet specificeren welke dat zouden zijn.
De directe technische prioriteit is het verbeteren van de enzymprestaties. De opbrengst blijft de beperkende factor. De kloof tussen laboratoriumdemonstratie en industrieel proces is aanzienlijk, en het team is openhartig over die afstand.
Wat het onderzoek wel en niet aantoont
Dit is een demonstratie van synthetische biologie. Het laat zien dat de chemische route haalbaar is. Het laat echter niet zien dat het proces aminozuren in kostenefficiënte hoeveelheden kan produceren.
Het artikel in Nature Communications is de belangrijkste geverifieerde bron. De Technische Universiteit München (TUM) heeft nog geen commerciële partner of proefinstallatie aangekondigd. Er is ook nog geen tijdschema voor opschaling gepubliceerd.
Voor investeerders en beleidsmakers die de markt voor alternatieve eiwitten volgen, is dit onderzoek om één specifieke reden de moeite waard. Het verbindt drie afzonderlijke technologiegebieden – hernieuwbare energie, direct gebruik van koolstof uit de lucht en precisiefermentatie-gerelateerde biochemie – tot één productieproces. Elk van deze gebieden trekt al aanzienlijk kapitaal aan. Een systeem dat alle drie integreert, zou, als de opbrengsten substantieel verbeteren, de economie van de aminozuurvoorziening voor veevoer- en levensmiddelenproducenten kunnen veranderen.
De onderzoekers zelf zijn terughoudend in hun beweringen. Het werk wijst in de richting van een minder landafhankelijke methode voor de productie van grondstoffen waar moderne voedselsystemen van afhankelijk zijn. Of een industriële versie van dit proces ooit zal bestaan, hangt af van de vooruitgang in enzymtechnologie, die de huidige wetenschap nog steeds voorloopt.
