Broeikasgassen voor chemische industrie?

Case

Broeikasgassen voor chemische industrie?

Spannend onderzoek mogelijk door Ideeëngenerator

Kunnen we de broeikasgassen methaan en koolstofdioxide door een chemische aanpassing gebruiken als grondstof voor de industrie? De NWA Ideeëngenerator maakt onderzoek naar dit revolutionaire idee mogelijk. Het instrument faciliteerde ook baanbrekende research naar het ebolavirus en naar het aanpassingsvermogen van eencelligen.

Methaangas (CH4) komt op onze planeet in enorme hoeveelheden voor, maar laat zich moeilijk in waardevolle producten omzetten. Meestal wordt het verbrand of afgefakkeld en dat zorgt alleen maar voor meer CO2 in de atmosfeer. Terwijl er wel degelijk kansen liggen om de koolstofcyclus te sluiten, constateert Chris Slootweg.

De chemicus aan de Universiteit van Amsterdam zou er het liefst azijnzuur uit produceren. Deze grondstof voor de productie van onder meer synthetische vezels, plastic en lijm wordt nu nog uit fossiele bronnen geproduceerd. Waarom zou dat niet lukken met de broeikasgassen methaan en koolstofdioxide? ‘Als je CO2 toevoegt aan CH4 heb je de moleculeformule van azijnzuur: CH3-COOH’, zegt Slootweg. ‘Alleen gaan ze niet vanzelf samen. Je hebt fundamenteel nieuwe chemie nodig hebt om methaan ervoor geschikt te maken. En dat maakt het extra leuk.’

Fabriek in de avondWat de chemische industrie nu doet met methaangas: affakkelen.

Grote uitdaging is de directe omzetting van methaan. Slootweg wil dat doen via activering van de C-H binding. Anders gezegd: door de binding tussen koolstof (C) en waterstof (H) te verbreken. Vervolgens moet er een binding met koolstofdioxide tot stand worden gebracht.

Is dat al gelukt? Nog niet, maar de eerste stap is een feit. Het onderzoek van de afgelopen maanden richtte zich op ‘vrije radicalen’. Dat zijn moleculen of atomen die één of meer ongepaarde elektronen bezitten. ‘Als je een elektrondonor en een elektronacceptor hebt kan er elektronenoverdracht plaats vinden. Je genereert dan twee reactieve deeltjes’, legt Slootweg uit. ‘Onze hypothese is dat je met dergelijke radicale ionenparen een elegante route opent om methaan om te zetten in azijnzuur.’

Momenteel testen de chemici in het lab de radicale ionenparen die ze hebben ontworpen. Ze sleutelen daarnaast aan de moleculen om de hoeveelheden reactieve deeltjes te vergroten. Nog een uitdaging is het vinden van een oplossing voor het snel weer stabiliseren van de radicalen na activatie van het methaan. 

Grondstoffen voor het nieuwe productieproces zijn volop voorradig en zijn spotgoedkoop. Methaangas wordt geproduceerd in afvalvergistingsinstallaties en koolstofdioxide wordt afgevangen uit industriële installaties. Een azijnzuurfabriek zou uit de twee afvalproducten een waardevol nieuw product kunnen maken. Wanneer de eerste fabriek er staat? ‘Dat kan nog jaren duren hoor’, lacht Slootweg. ‘Laten we eerst de fundamentele onderzoeksvragen maar eens oplossen.’

Zelforganiserend systeem

Een vergelijkbaar vernieuwend idee dat steun kreeg uit de Ideeëngenerator is de speurtocht van wiskundig bioloog Daan de Groot naar het aanpassingsvermogen van eencelligen. Bacteriën en andere micro-organismen kunnen zich eenvoudig vermenigvuldigen en overleven in een verbluffende hoeveelheid omgevingen. Verandert de omgeving, dan passen ze hun eiwitten en enzymen snel aan zodat de groeisnelheid maximaal blijft. Hoe krijgt zo’n eenvoudig organisme dat voor elkaar en hoe weet het precies wat het op welk moment moet doen? Het zijn razend interessante vragen. Het vroegste leven op onze planeet moet ooit ook een dergelijk complex aanpassingsvermogen hebben ontwikkeld.

Het vroegste leven op aarde moet ooit zo’n complex aanpassingsvermogen hebben ontwikkeld
- wiskundig bioloog Daan de Groot

De Groot onderzocht deze theoretische vraag door middel van wiskundige modellering en gebruikte daarbij de ‘poepbacterie’ E.coli als voorbeeld. Deze past zich aan bij overgang naar een andere omgeving. Hij gaat bijvoorbeeld koolstof die hij nodig heeft voor zijn groei uit een andere bron halen. ‘Zo'n cel lijkt een alwetende computer die op basis van omgevingsmetingen precies bepaalt wat hij moet doen’, legt De Groot uit. ‘Onze vraag is of daar een simpel, zelforganiserend basissysteem achter schuilgaat.’

Wist u dat? Micro-organismen passen zich aan een veranderende omgeving zo snel aan dat hun groeisnelheid maximaal blijft.

Op basis van wiskundige theorie formuleerde hij de hypothese dat eencelligen hun eigen groei kunnen meten. Verloopt die zonder probleem, dan hoeft er weinig te veranderen. Bij langzame groei nemen de fluctuaties in de cel toe en gaat hij zijn eigen samenstelling bijsturen. De manier waarop hij dat doet lijkt wat op het vermogen van mieren om door zelforganisatie de kortste route naar eten weten te vinden. Eencelligen vinden op een vergelijkbare manier altijd de efficiëntste manier om dochtercellen te produceren. Het lijkt er op dat ze hun adaptatievoordeel aan dit mechanisme ontlenen. 

Een groep mieren vormt een brug door zelforganisatieEen groep mieren vormt een brug door zelforganisatie.

Om de hypothese te toetsen modelleerde De Groot met hulp van een junior onderzoeker een ‘minimale cel’ zónder complexe regulatiemechanismen. Zou E.coli het daarmee weten te rooien in een omgeving waaraan hij evolutionair niet aangepast is? De onderzoekers creëerden voor het experiment een omgeving waarin – anders dan anders – glucose niet de beste koolstofbron was.

Helaas, de bacterie slaagde er bij labexperimenten niet in dit te ontdekken en een andere koolstofbron te kiezen. Kennelijk is E.coli minder flexibel dan gedacht. Een tegenvaller, geeft De Groot toe, maar dat hoort bij ‘out-of-the-box’ onderzoeken zoals de Ideeëngenerator faciliteert. ‘Een ‘normaal’ onderzoek observeert wat er in een bacterie gebeurt en verzint dan een verklaring. Wij keerden het hele proces om: wij hebben een hypothese afgeleid uit de theorie, en deze vervolgens experimenteel getest. Dat is uiteraard veel risicovoller.’

Het betekent zeker niet dat hij bij de pakken neerzit. Het gaat er nu om vast te stellen waaróm de ‘minimale’ bacterie het loodje legde. ‘Misschien moeten we alleen het experiment iets anders organiseren.’ 

Orgaan-op-een-chip

Even verrassend en met groot potentieel was het onderzoek van Yasmine Abouleila naar een behandeling tegen de zeer besmettelijke virusziekte Ebola. Het onderzoek toonde veelbelovende resultaten met een eenvoudig middel: melatonine.
Uitbraken die zich de afgelopen decennia in Afrikaanse landen deden waren moeilijk te bestrijden en zorgden voor talloze doden. Patiënten ontwikkelen eerst griepachtige symptomen, daarna uitslag en vervolgens bloedingen en infecties. In die derde fase sterft maar liefst zestig procent van alle patiënten aan bloedingen.

De complexiteit van het ziekteverloop maakt het vinden van een effectieve behandeling moeilijk. Experimentele modellen die de effecten van het virus op menselijke organen nauwkeurig kunnen nabootsen ontbreken. Diermodellen zijn duur en kunnen het verloop van de ziekte bij mensen niet volledig weergeven. Daarom is het moeilijk om de werkzaamheid, veiligheid en toxiciteit van experimentele middelen tegen Ebola te voorspellen.

Ebolapatiënt in een ambulance.

De onderzoekers van het Alireza Mashaghi laboratorium van de Universiteit Leiden bedachten daarom een ​​slimme omweg: ze gebruikten een ‘orgaan-op-een-chip’. Dat is een proeforgaan op microformaat, ontwikkeld voor het testen van medicatie en behandelvormen. De chip kan het typische ‘bloedingssyndroom’ van Ebola in beeld brengen. De onderzoekers lieten daartoe bloedvaten groeien in de chip. ‘We gebruikten virusachtige deeltjes die schade toebrengen aan de bloedvaten en dus bloedingen veroorzaken,’ vertelt Abouleila. ‘Daardoor werd de schade voor en na blootstelling aan het virus zichtbaar onder de microscoop.’

De hoeveelheid lekkage van bloed naar omringend bindweefsel was goed meetbaar door gebruik van een fluorescerende kleurstof. Het creëerde een perfecte omgeving voor het testen van potentiële medicijnen. Melatonine bleek veelbelovend: na toediening van dit ‘slaaphormoon’ verminderden de bloedlekkages significant. Het reduceert de doorlaatbaarheid van de bloedvaten. Uiteraard zijn er nog nader onderzoek en klinische proeven nodig alvorens het bruikbaar is als middel tegen Ebola.

Het orgaan-op-een-chip is ook bruikbaar voor het testen op de aanwezigheid van het Ebolavirus. ‘Dat gaat heel snel, in zes tot tien minuten.’

De onderzoekers hebben hun research inmiddels uitgebreid naar Lassa, een vergelijkbare akelige virusziekte die af en toe uitbreekt in Afrika. Hebben ze het corona-virus al in het vizier? Abouleila: ‘Ja, op basis van onze research bekijken onderzoekers nu de effecten van melatonine tegen covid-19.’

 

Tekst: Edo Beerda

Foto in de banner: Shutterstock