Cellulose is één van de meest voorkomende organische molecules ter wereld maar helaas voor de mens, niet verteerbaar en dus niet geschikt als voedsel(energie)bron. Nochtans is de samenstelling van cellulose gelijk aan deze van zetmeel. Beide componenten bestaan uit ketens van glucosemoleculen, met dat verschil dat de alfa-glycosidische binding van zetmeel kan afgebroken worden in het menselijke spijsverteringsstelsel met vrijstelling van glucose, en de beta-glycosidische binding van cellulose niet (zie figuur). Al jarenlang zijn wetenschappers op zoek naar manieren om de (niet-verteerbare) beta-glycosidische binding van cellulose om te zetten in de alfa-glycosidische binding van zetmeel (zie figuur), maar een eenvoudige oplossing bleek niet voor de hand liggend. Toch kon het team van Zhang aan de universiteit Virginia Tech via een relatief eenvoudig toepasbaar procédé de omzetting bewerkstelligen.
Een enzymencocktail bestaande uit endoglucanase, cellobiohydrolyase, cellobiose fosforylase en alfa-glucan fosforylase bewerkstelligt een pathway die cellulose, over cellobiose en Glucose-1-fosfaat (G-1-P) omzet in zetmeel (zie figuur). De enzymes, hoewel oorspronkelijk afkomstig uit bacteriële, fungale en plantaardige bronnen werden bekomen via genetisch gemanipuleerde Escherichia coli bacteriën, een techniek die vaak wordt toegepast om op efficiënte wijze specifieke enzymes te bekomen. Het proces zet zo’n 30% van de cellulose om in zetmeel, en de rest wordt afgebroken tot glucose dat kan gebruikt worden voor de productie van bio-ethanol.
Hoewel het procédé nog in onderzoeksstadium is, en daarmee ook duur, kan schaalvergroting er wel voor zorgen dat de enzymes goedkoper worden en verdere optimalisatie van het proces de efficiëntie verbeteren. Maar wat kan deze ontdekking nu eigenlijk betekenen?
Oneetbare planten eten
Met een groeiende wereldpopulatie en een beperkt areaal geschikt voor landbouw wordt voedseltekort, vooral in derde-wereldlanden een blijvend groeiend probleem. Ook omdat de meeste gewassen slechts ten dele eetbaar zijn. Voor graangewassen is enkel het zaad nuttig, omdat de rest uit… cellulose bestaat. Indien dit, normaal oneetbaar gedeelte van de plant kan eetbaar gemaakt worden, betekent dat een pak minder verlies, en dus meer eten voor eenzelfde oppervlakte aan gewas. Daarnaast kunnen ook niet-eetbare, snelgroeiende planten zoals bamboe, wilgen en populieren plots als voedselbron dienen.
Als kanttekening daarbij moet wel vermeld worden dat extra zetmeel alleen het wereldvoedselprobleem niet zal oplossen. Temeer omdat momenteel vooral de ongelijke verdeling van voedsel voor grote problemen zorgt: overvoeding langs de ene kant en ondervoeding langs de andere kant. Daarbij is er met zetmeel alleen nog niet voldaan aan de vraag naar andere nutriënten (eiwit, vet, vitamines en mineralen), want ook deze tekorten zorgen wereldwijd voor problemen (eiwittekorten, vitamine A, ijzer, jodium etc…), niet alleen door hongersnood, maar ook bij malnutritie. Tenslotte is er voor de Westerse wereld al niet echt tekort aan zetmeelrijke producten, maar zijn er wel problemen met een te lage inname van vezels, waar cellulose ook toe behoort. Is het dan wel een goed idee om ons vezelrijk plantenmateriaal te gaan omzetten in iets waar we wel genoeg van binnenkrijgen?
Biobrandstoffen
Biobrandstoffen liggen al een tijdje onder vuur omdat ze zouden interfereren met de voedselvoorziening. Er werd al langer gewerkt op de winning van biobrandstoffen uit niet-eetbare bronnen via afbraak van cellulose tot glucose en omzetting naar ethanol (cellulosische ethanol). Het proces werkt, maar werd nog niet toegepast voor commerciële doeleinden wegens de hoge instapkosten. Vanuit zetmeel zou, ook via microbiële omzettingen, waterstofgas kunnen bekomen worden, wat een erg gegeerde energiebron is wegens de hoge energie-inhoud en lage vervuilingsgraad.
Bioplastics
Ook de groeiende afvalberg, en de vraag naar duurzamere alternatieven (uit hernieuwbare bronnen) voor plastic, kan belang hebben bij dit nieuwe procédé. Bioplastics kunnen gemaakt worden uit zetmeel, maar conflicteert daarbij, net als voor de biobrandstoffen, met de voedselproductie. Als zetmeel relatief eenvoudig kan worden gewonnen uit cellulose, dan vormt dit niet langer een beperking.
Bronnen
- Enzymatic transformation of nonfood biomass to starch. You C, Chen H, Myung S, Sathitsuksanoh N, Ma H, Zhang XZ, Li J & Zhang YH P. PNAS 110(17), 15/04/2013.
- Could wood feed the world? Choi CQ. ScienceNOW (news.sciencemag.org), 15/04/2013.
- Researchers succeed in transforming cellulose into starch creating new potential food source. FoodNavigator, 16/04/2013
- Als stro voedsel wordt. Van Dooren P. De Standaard (wetenschap), 26/04/2013
- Cellulosic ethanol, Wikipedia
- Bioplastics, Wikipedia