De productie van vlees is enorm milieubelastend. Toch is dierlijk eiwit het gemakkelijkste te verteren en is eiwit essentieel voor de mens. Een startup heeft een oplossing gevonden, die haast te mooi klinkt om waar te zijn.
De startup Air Protein maakt gebruik van een oude NASA-techniek uit de jaren zestig. Deze maakt gebruik van hydrogenotrofe (waterstof etende) bacteriën die leven op moleculaire waterstof, H2. Waterstof komt op aarde vooral voor als onderdeel van water, H2O, maar er zijn plaatsen op aarde waar puur waterstofgas voorkomt. Deze bacteriën zijn in staat om dit waterstofgas te benutten als energiebron en met behulp van kooldioxide en voedingszouten om te zetten in organische stoffen, zoals eiwitten. In onderstaande TED lezing wordt deze techniek uitgelegd.
De productie van waterstof uit water kost vanzelfsprekend energie. Gratis is de techniek dus niet. Groot voordeel is wél, dat er geen grond nodig is voor vee en vooral, dat het aminozuurprofiel van ‘air protein’ vrijwel geheel overeenkomt met die van dierlijke eiwitten. Dit maakt het een volwaardige vleesvervanger, al heeft het roodbruine poeder maar weinig weg van vlees. Als astronautenvoedsel en om ondervoede kinderen en volwassenen in de derde wereld te helpen, is het ideaal.
Air Protein maakt gebruik van een NASA-ontdekking om eiwit te produceren voor astronauten. Kan dit de honger in de wereld oplossen? Bron/copyright: Air Protein
Het ontwikkelen van vleesvervangers lijkt misschien triviaal, maar is dat zeker niet. De productie van elke kilo vlees kost tussen de drie tot tien kilo veevoer. Dit maakt vlees een grote belasting voor het milieu. Als we minder vlees eten, is er minder landbouwgrond nodig en is er meer ruimte voor bijvoorbeeld natuurgebieden en recreatie. Ook hoeven we ons niet meer te ergeren aan de beperkingen die stikstofoverlast op ons oplegt.
Venus wordt wel de ‘evil twin’ van de aarde genoemd. Dat is niet voor niets. De dikke, zeer hete kooldioxide-atmosfeer maken het oppervlak onleefbaar. Zou het leven op Venus een toevluchtsoord hebben gevonden in de comfortabeler, hogere lagen van de atmosfeer?
Venus heeft ongeveer de afmetingen van de aarde, maar hier houden de gelijkenissen op. Miljarden jaren geleden had Venus veel weg van de aarde, met oceanen en een gematigd klimaat. Op Mars zijn overblijfselen gevonden die veel weg hebben van stromatolieten, een vorm van bacteriekolonies. Het is goed mogelijk dat dit ook op Venus het geval was. Venus raakte echter in de greep van een versterkt broeikaseffect, waardoor de oceanen droogkookten en de planeet onleefbaar werd.
De Venus Atmospheric Maneouverable Platform, of VAMP, is voorgesteld als middel om de raadselachtige atmosfeer van Venus nader te onderzoeken. Bron: Northrop Grumman
Een dikke kooldioxide-atmosfeer, 95 maal zo dicht als de aardse atmosfeer, houdt het oppervlak in een permanent wolkendek gevangen. Het gevolg is een in het zonnestelsel verder ongekend broeikaseffect. Temperaturen op de oppervlakte van Venus bereiken tegen de 450 graden. Hoger in de atmosfeer zijn de omstandigheden leefbaarder. Op ongeveer vijftig tot zestig kilometer hoogte is de atmosferische druk en de temperatuur ongeveer gelijk aan die van de aarde. Eerder is al voorgesteld om op deze hoogte drijvende kolonies te vestigen.
Misschien zijn deze kolonies er al, denken nu enkele wetenschappers. Althans: bacteriekolonies van Venusiaanse bacteriën. In de wolkenlaag tussen 47,5 en 50,5 km hoogte zijn namelijk raadselachtige absorptiespectra aangetroffen die tot nu toe niet verklaard kunnen worden met de bekende modellen. Deze zijn gemeten in wolken, die zich geregeld uitbreiden en dan weer instorten. Dit heeft wel wat weg van algenbloei op aarde. Een groep Venus-onderzoekers ontmoette bij toeval de microbioloog Grzegorz Slowik, werkzaam aan de universiteit van Zielona Góra in Polen. Slowik ontdekte dat de absorptiespectra opmerkelijke gelijkenis vertoonden met die van aardse bacteriën. De atmosfeer van Venus op deze hoogte is rijk aan deeltjes die in drie groepen voorkomen: ∼0.4–0.6 μm (mode 1), ∼2–2.8 μm (modes 2 en 2′), en ∼7.3–8 μm (mode 3). Deze deeltjes bestaan voor een groot deel uit zwavelzuur. De atmosfeer van Venus is niet erg rijk aan water, met een gemeten maximum van 200 ppm rond de equator. Omdat deze druppeltjes voor een groot deel uit zwavelzuur bestaan, zijn ze erg hygroscopisch. Dat maakt dat ze ondanks de droge atmosfeer toch niet uitdrogen.
Op aarde komen vergelijkbare deeltjes voor, die weliswaar geen zwavelzuur bevatten, maar wel een thuis bieden aan miljarden bacteriën per kubieke meter lucht. Verdund zwavelzuur lijkt een erg ongastvrije leefomgeving, maar op aarde kennen we bacteriën die het in deze omgeving uit zouden kunnen houden. Acidithiobacillus soorten, bijvoorbeeld, komen voor in zeer zure zwavelrijke metaalertsen. Opmerkelijk genoeg vertoont het absorptiespectrum van de Venusiaanse atmosfeer enige gelijkenis met dat van deze bacteriën.
Mogelijk zijn deze deeltjes dus bacteriekoloniën, en is het leven op Venus dus toch niet helemaal verdwenen. De groep onderzoekers stelt daarom voor, toekomstige Venus-expedities uit te rusten met apparatuur om direct metingen te doen aan deze atmosferische laag.
Tot nu toe werd gedacht dat een microfilter met gaatjes van 200 nanometer (een vijfduizendste millimeter of rond de duizend middelgrote atomen breed) wel voldoende is om bacteriën tegen te houden. Microbiologen weten nu beter: de kleinste bacteriën ooit, nog niet benoemd, hebben door hun kleine afmetingen geen moeite met zelfs dit filter.
De ultramicrobacteriën doken op door een grondwatermonster te filtreren. Alleen de allerkleinste bacteriën passeerden het filter. Deze vrijlevende bacteriën zijn zo klein, dat er 150 van in een cel van de bekende en beruchte bacterie E. coli passen. Om te overleven, moeten de bacteriën woekeren met hun kleine celruimte. Ze bevatten maar enkele ribosomen, die m-RNA ‘afschriften’ van DNA in eiwitten vertalen, in plaats van de 1500 in een gemiddelde E. coli-cel. Ook het DNA is compact verpakt en kort, rond de 1 miljoen baseparen.
Een opname van de bacteriën. Bron: Berkeley Labs.
Onderzoekers vermoeden dat de bacteriën een deel van hun levensprocessen hebben “uitbesteed” aan grotere bacteriën in de buurt, zodat ze daarom hun cel hebben kunnen vereenvoudigen. De bacteriën beschikken over draadachtige structuren, die, vermoeden de onderzoekers, worden gebruikt om essentiële voedingsstoffen van elders te halen. Hoewel de ontdekking van de bacteriën nieuw is, blijken ze, nu er eenmaal gericht naar wordt gezocht, heel veel voor te komen. De bacteriën behoren tot zowel de grampositieve als de gramnegatieve groep en zijn, wijst metagenetische analyse uit, zeer divers in soortenrijkdom. Vermoedelijk zijn er daarom zeer veel soorten in deze allerkleinste grootteklasse bacteriën. De bacteriën zijn niet met standaardmethoden te kweken in een lab, vermoedelijk door de complexe symbiose met andere bacteriën.
Er waren al eerder zeer kleine bacteriën bekend, zoals de ziekteverwekker Mycoplasma genitalium. Deze kan alleen in leven blijven binnen levende cellen. Naar nu blijkt zijn deze dus geen uitzondering.
Het zag er tot nu toe steeds somberder uit. Bacteriën evolueren snel en worden in hoog tempo resistent tegen antibiotica. Met de ontdekking van teixobactin, de eerste van een compleet nieuwe klasse antibiotica, lijken de kansen gekeerd. Hebben we nu eindelijk een allesvernietigend wapen tegen sommige van de ergste ziekten ooit?
Resistentieloos antibioticum?
In nieuw onderzoek slaagden hoogleraar Kim Lewis en zijn onderzoeksgroep erin om een antibioticum te ontwikkelen, dat ziekteverwekkers uitschakelt zonder dat deze resistent worden. Iets dat onmogelijk is volgens zekere gevestigde microbiologische theorieën. Lewis haalde hiermee zelfs de heilige graal voor wetenschappers: een publicatie in het toptijdschrift Nature. Teixobactin werd ontdekt toen Lewis en zijn team een nieuwe methode ontwikkelden om tot dusver niet in het lab te kweken bodembacteriën te kweken. Al miljarden jaren voeren bacteriën onderling geregeld een biochemische oorlog op leven en dood, en Lewis slaagde er in een van hun wapens te ontdekken. En niet zomaar een wapen. Een antibioticum dat er in slaagt, tot dusver bijna onbehandelbare ziekteverwekkers als de tuberkelbacil en MRSA te doden.
Aan deze dodelijke eencellige, de tuberkelbacil, sterven jaarlijks nog miljoenen mensen. Zullen we deze moordenaar hun eindelijk met wortel en tak uit kunnen roeien?
Verborgen antibiotica in de bodem
Bodembacteriën hebben de meerderheid van alle bekende antibiotica opgeleverd, wat geen wonder is: verreweg de meeste bacteriën leven in de bodem, met miljarden per gram, maar slechts 1% van de bodembacteriën kan in het lab gekweekt worden. Deze beperkte populatie was in de jaren zestig al volledig uitgekamd. Tijd dus om de overige 99% te verkennen, en dit is wat Lewis en zijn team deden. Ze ontwikkelden nieuwe methoden om deze bacteriën in het lab te kunnen kweken en brachten deze onder in het biotechbedrijf NovoBiotic. Hun bedrijf ontwikkelde hiervoor de iChip, een miniatuur kweekomgeving, ontwikkeld door het team van Epstein, Novobiotic heeft nu 50.000 lijnen tot dusver niet gekweekte bacteriën onderzocht en in dit proces 25 nieuwe antibiotica gevonden. Hiervan is teixobactin de meest recente en ook veelbelovendste, aldus Lewis.
Teixobactin werd ontdekt tijdens een routineonderzoek van microbieel materiaal. Vervolgens testte Lewis het middel op resistentieverwekking en vond geen gemuteerde MRSA en Mycobacterium tuberculosum die resistent waren geworden tegen teixobactin. Teixobactin werkt, zo lijkt het, in op verschillende belangrijke biochemische productieroutes in de bacteriecel, waarmee de bacterie componenten voor de dikke, beschermende celwal aanmaakt. Tot 2015 toe is er geen antibioticum gevonden dat geen resistentie opleverde. Teixobactin is hiermee uniek.
Hoe werkt teixobactin?
Teixobactin tast geen eiwitten aan, maar bacteriële lipiden (vetten). Een dubbele laag fosfolipiden vormt het celmembraan bij soorten zoals de mens. Bacteriën en planten beschikken daarnaast nog over een dikke celwand. Omdat teixobactin zich hecht aan de voorgangers voor deze lipiden, kunnen bacteriën niet groeien en zichzelf delen. Dat zorgt er voor dat ons afweersysteem korte metten kan maken met de bacteriën. Dit verklaart, vermoedelijk, ook waarom de uiterst hardnekkige bacteriën S. aureus en M. tuberculosum er zelfs na 27 dagen blootstelling aan subletale doses teixobactin er maar niet in slaagden resistentie te ontwikkelen.
Kunnen we nu eindelijk levens redden?
Uiteraard zal er nog heel wat onderzoek overheen gaan voordat teixobactin als effectieve therapie ingezet kan worden, als dat al ooit gebeurt. Sommige potentiële antibiotica zijn giftig voor de mens, of kennen ernstige bijwerkingen. Teixobactin is alleen werkzaam tegen grampositieve bacteriën, niet tegen gramnegatieve bacteriën, waartoe veel andere ziektenverwekkers behoren. Aan de andere kant: als teixobactin geen resistenties opwekt, zijn er waarschijnlijk meer nog onontdekte antibiotica met dezelfde eigenschap. Farmaceutische giganten voelen er weinig voor te investeren in nieuwe antibiotica, omdat deze waarschijnlijk weinig voorgeschreven zullen worden. Dit voorkomt namelijk de ontwikkeling van resistentie. Dit is overigens weer een uitstekend argument, waarom universiteiten, internationale overheden en non-profit organisaties, de ontwikkeling van medicijnen moeten overnemen van de farmaceuten. We moeten het voortbestaan van mensenlevens niet af laten hangen van graaimanagers en kortzichtige aandeelhouders. en de totale oorlog verklaren aan armoede, ziekte en dood.
Lewis bereikte al eerder een medische doorbraak. Hij ontdekte een middel om de ‘slapende persistoren’ van MR staphylococcus aureus uit te schakelen, de reden waarom deze ziekteverwekker zo hardnekkig bestand is tegen antibiotica.
Het signaalmolecuul N-3-oxo-dodecanoyl-L-homoserine lacton, dat ziekteverwekkende Pseudomonas-bacteriën signalen geeft over de aantallen van hun buren, veroorzaakt celsterfte en stopt de migratie van alvleesklier-kankercellen. Dat meldt het vooraanstaande tijdschrift PLOS One.
Toen onderzoekers Senthil Kumar en Jeffrey Bryan van de universiteit van Missouri een cellijn met pancreas-kankercellen in vitro kweekten, stelden ze deze bloot aan een oplossing met N-3-oxo-dodecanoyl-L-homoserine lacton. Dit bleek een verrassend effect op de cellen te hebben. Niet alleen stopte het vormen van uitzaaiingen en kolonievorming, ook pleegde een aanzienlijk deel van de kankercellen zelfmoord (apoptose). De stof, die uit een relatief groot molecuul bestaat, heeft nogal veel moeite om door het celmembraan van kankercellen te komen. Vervolgonderzoek van de groep gaat zich dan ook richten op manieren om het molecuul effectiever de kankercellen binnen te wurmen. Lukt dit eenmaal, en valt het medicijn niet onderweg af wegens bijvoorbeeld giftige bijwerkingen, dan volgen dierproeven en pas dan klinische proeven op mensen. Ook wil de groep andere typen kankercellen onder handen nemen. Voor de alvleesklierkankerpatiënten bij wie de ziekte nu is gediagnosticeerd is dit helaas vaak te laat, slechts een paar procent haalt meer dan een jaar.
Opname met SEM-elektronenmicroscoop van een kolonie P. aeruginosa. Deze universele ziektenverwekker richt zich op zowel planten als dieren, waaronder de mens.
Alvleesklierkanker: zeer dodelijke kankersoort Alvleesklierkanker, verantwoordelijk voor 5% van alle kankergevallen, is een van de dodelijkste kankersoorten en de vierde oorzaak van sterfte aan kanker in de Verenigde Staten. 95% van de pancreaskankerpatiënten overlijdt, zelfs met de best bekende behandelingen, die dan ook voornamelijk palliatief (lijden-verlichtend bij het sterven) van aard zijn. De pancreas produceert spijsverteringssappen, maar ook insuline en is als zodanig van levensbelang voor ons lichaam. Als de pancreas het opgeeft ontstaat diabetes. Wat het hoge sterftecijfer aan alvleesklierkanker mede veroorzaakt is dat het lang duurt voor de eerste symptomen van de tumor zich manifesteren bij de patiënt. Alleen als de tumor de alvleesklier afklemt ontstaan eerder symptomen, waardoor de tumor snel wordt ontdekt en kan de kanker in een vroeg stadium behandeld worden. Zoals bij alle kankers, zijn de prognoses nog veel slechter zodra de kanker zich uitzaait.
Welke rol speelt de signaalstof N-3-oxo-dodecanoyl-L-homoserine lacton in Pseudomonas-bacteriën? Doorgaans is een enkele ziekteverwekkende bacterie, zoals de veelzijdige ziekteverwekker P. aeruginosa, nauwelijks opgewassen tegen het geweld van het immuunsysteem van dieren en de lokale populatie van goedaardige bacteriën. Anders wordt dit, als om welke reden dan ook, de populatie ziekteverwekkers een bepaalde kritische grootte bereikt. De bacteriën gaan dan samenwerken om een vrijwel ondoordringbare biofilm, een bacteriële mat, te vormen. Bacteriën communiceren met signaalstoffen. Als de concentratie van de signaalstof N-3-oxo-dodecanoyl-L-homoserine lacton een bepaalde drempel overschrijdt, is dat voor Pseudomonas aeruginosa het signaal om een biofilm te vormen, met doorgaans nare gevolgen voor de patiënt.
Update: in 2021 is nog steeds sprake van in vitro proeven. Ook tegen borstkanker blijkt de stof effectief, vooral tegen de meest agressieve kankercellen [2].
2. Balhouse, Brittany N., et al. “N-(3-oxododecanoyl)-L-homoserine lactone interactions in the breast tumor microenvironment: Implications for breast cancer viability and proliferation in vitro.” PloS one 12.7 (2017): e0180372.
Miljarden jaren geleden maakte deze samensmelting cellen met celkern, dus ons, mogelijk. Een bacterie lijkt opnieuw halverwege op weg om een onderdeel van een cel te worden. Evolutie op heterdaad betrapt. Omdat het hier om een stikstofbindende bacterie gaat, zijn de gevolgen enorm. Onder meer voor onze voedselvoorziening…
Stikstofbinder verliest fotosynthese
Met de cyanobacterie Candidatus Atelocyanobacterium thalassa (het voorvoegsel betekent dat het nog geen officieel vastgelegde soort is), is iets vreemds aan de hand. Cyanobacteriën zijn bij biologen welbekend. Het zijn doorgaans purpergekleurde bacteriën, die net als planten in staat zijn om met behulp van licht, kooldioxide en water om te zetten in suikers, m.a.w. tot fotosynthese. Het genoom van de pasontdekte cyanobacterie laat zien dat de eencellige erg goed is in één ding: moleculaire stikstof, een berucht weerbarstige stof om om te zetten, vangen en omzetten in een voor planten makkelijk opneembare stikstofverbinding, ammonium (NH4+). Opmerkelijk genoeg ontbreekt iets anders dat andere cyanobacteriën wel hebben: de genen die coderen voor het fotosynthese-systeem. Kortom: deze cyanobacterie kan niet vrij leven, maar is afhankelijk van een andere organisme.
Een met deze alg, Coccolithus pelagiocus, verwante alg staat mogelijk op het punt het eerste stikstofbindende plantaardige organisme op aarde te worden. Bron: Wikimedia Commons
Organel in wording Jonathan Zehr van de University of California, Santa Cruz ging met zijn collega op zoek naar een ander organisme en vond een klein type alg, een prymnesiofiet. Klaarblijkelijk leidde de symbiose tussen beide eencelligen er toe dat de cyanobacterie zijn genen voor fotosynthese verloor. Dit zou wel eens een voorbeeld kunnen zijn van een tussenstap in de evolutie van een cyanobacterie tot een organel, een celonderdeel van de alg. Het team-Zehr ontdekte dat ook celdelingen de twee organismen niet scheidt, maar dat door filtering beide gescheiden kunnen worden. Dit doet vermoeden dat de cyanobacterie op de oppervlakte van de alg leeft in kleine kuiltjes. Dit zou niet de eerste keer zijn. Chloroplasten (bladgroenkorrels) zijn ook verre afstammelingen van andere symbiotische cyanobacteriën. Zehr denkt dat mogelijk andere algen dit tweetal zijn voorgegaan en dat er dus wellicht groene, complexe algen bestaan die in staat zijn stikstof te binden. Als een dergelijke alg bestaat, zou dit het eerste stikstofbindende plantaardige organisme ooit zijn, dat niet met andere organismen hoeft samen te werken.
Geen stikstofmest meer nodig?
De gevolgen voor de landbouw zouden enorm zijn. Op dit moment gebruikt de mensheid 1% van alle beschikbare energie voor slechts één proces: de productie van ammoniak uit stikstof. Deze wordt gebruikt in kunstmest. Weliswaar bestaan er enkele planten die met stikstofbindende bacteriën samenwerken – waaronder de vlinderbloemigen, waaronder alle peulvruchten – maar genetici zijn er nog niet in geslaagd plantenrassen te ontwikkelen die dit kunstje kunnen herhalen met bijvoorbeeld granen. De samenwerking tussen bacteriën en de vlinderbloemigen blijkt te complex om lukraak over te kunnen nemen in andere plantensoorten. De cyanobacterie toont een andere methode, die mogelijk wél toe is te passen op andere planten. Dit zou een belangrijk probleem oplossen.
Allergie komt anno 2012 veel vaker voor dan in de tijd van onze opa’s en oma’s. In een artikel in het vooraanstaande vakblad Nature Medicine beschrijven de ontdekkers de reden: een onverwacht gevolg van antibioticamisbruik op het gedrag van de darmflora.
Puzzelstukjes al aanwezig
Al voor dit onderzoek was bekend dat één van de oorzaken in onze ingewanden ligt. Epidemiologische studies hebben veranderingen in de samenstelling van de darmflora gelinkt aan de ontwikkeling van allergische ziekten. Doorgaans bewonen tussen de 1000 en 15 000 verschillende bacteriesoorten onze dikke darm. Ook is bekend bij immunologen dat signaalmoleculen, geproduceerd door bepaalde immuuncellen, allergische ontstekingen opwekken. Uit dierproeven is bekend dat er een link bestaat tussen deze twee: commensale bacteriën wekken heftiger allergische reacties op. Deze onderzoekers wilden het werkingsmechanisme van dit effect ontdekken.
Ingewandsbacteriën onderdrukken ons immuunsysteem. De verklaring waarom antibiotica allergie veroorzaken. Bron: Missouri University
Antibiotica vernietigen natuurlijke symbionten Om dit uit te zoeken, behandelden onderzoeker Artis en zijn collega’s van de Pennsylvania School of Veterinary Medicine muizen met een vijftal verschillende orale antibiotica om hun darmflora te verminderen of uit te putten. De antibiotica varieerden van het veel voorgeschreven ampicilline (met weinig bijwerkingen) tot het laatste redmiddel vancomycine, dat een aantal uiterst gevaarlijke bijwerkingen heeft. Overigens, ongelofelijk genoeg, ontstaat er nu zelfs tegen het giftige vancomycine resistentie, wat het nodige zegt over de gewetenloze stupiditeit en incompetentie van bepaalde artsen.
Antibiotica leidt tot meer allergie-veroorzakende antilichamen
Ze ontdekten dat muizen die met antibiotica werden behandeld, een verhoogde hoeveelheid IgE klasse antilichamen in hun bloed hebben. Dit zijn antilichamen die allergie en astma veroorzaken. Dit hoge IgE gehalte op zijn beurt verhoogt namelijk het aantal basofiele granulocyten, witte-bloedcellen die de ontstekingsstof histamine uitscheiden. Dit gebeurt ook bij de ontstekingen bij allergische reacties.
Dit effect treedt overigens niet alleen bij muizen op maar ook bij mensen. Iemand die door genetische aanleg grote hoeveelheden IgE antilichamen aanmaakt, is doorgaans hypergevoelig voor eczeem en infecties. Astma wordt daarom behandeld met antilichamen die IgE neutraliseren, zodat de basofiele granulocyten geen ontstekingen meer veroorzaken.
Bacterie trapt op de rem
Naar nu blijkt, scheiden bepaalde soorten maag-darmbacteriën die met de mens gecoëvolueerd zijn, stoffen af die de groei van zogeheten immuun-precursorcellen (B-cellen) in het beenmerg afremmen. De reden hiervoor is duidelijk: een op hol geslagen immuunsysteem dat veel antistoffen aanmaakt is slecht nieuws voor deze bacteriën. Als antibiotica deze bacteriën vernietigen, verdwijnt deze rem en worden er grote hoeveelheden immuun-precursorcellen aangemaakt. Deze gaan vervolgens veranderen in B-plasmacellen die veel IgE afscheiden, met de bekende gevolgen.
Ook chronische ontstekingsziekten door vernietigde darmflora?
Dit lost ook een ander medisch raadsel op. Veel mensen worden geteisterd door chronische ontstekingsziekten. Uit eerder onderzoek weten we al dat deze op een of andere manier samenhangen met veranderingen in de darmflora. Ook andere ziekten – denk aan kanker, infecties en autoimmuunstoornissen – zouden op grond van deze ontdekking wel eens beïnvloed kunnen worden door de darmflora. In het geval van kanker willen artsen uiteraard juist een hyperactief immuunsysteem.
‘Eindelijk een verklaring voor allergie-explosie’ Al jaren zijn experts niet in staat een verklaring te vinden voor de enorme explosie van astma en allergieën in de laatste decennia. Volgens dit artikel is wellicht overmatig gebruik van antibacteriële middelen, zoals antibiotica, de oorzaak. Deze schakelen de natuurlijke darmbewoners, die het immuunsysteem onderdrukken, uit en maken ruimte voor opportunistische nieuwkomers die dit niet doen.
Dankzij een Wageningse vinding kan nu uit vervuild biogas zuivere zwavel worden gewonnen. Ook is het afvalwater nu veel schoner. Industriewater Eerbeek verdiende de aanschafkosten in één jaar terug.
Afvalwater levert veel milieuproblemen op
Industrieel afvalwater wordt doorgaans geloosd of door een dure waterzuiveringsinstallatie geleid. Hierbij wordt het afvalslib in een zuurstofarme omgeving vergist tot biogas dat net als aardgas voornamelijk uit methaan bestaat. Een belangrijk milieuprobleem is de grote hoeveelheid zwavelwaterstof (H2S), die een belangrijke fractie uitmaakt van het biogas. Dit gas, dat naar rotte eieren stinkt, is dodelijk giftig. Om die reden wordt het in bioreactoren omgezet in natriumsulfaat. Ook dit levert echter problemen op: water wordt geëutrofieerd, waardoor algenplagen ontstaan.
Zo werkt de biogaszuiveraar Thiopaq. Bron: Paques.nl
Probleemstof wordt waardevolle grondstof
Toenmalig hoogleraar Cees Buisman ontdekte begin jaren negentig een wereldprimeur. Hij ontwikkelde een methode, waarbij bacteriën zwavelwaterstof omzetten in zuiver zwavel en de waterstof oxideren tot water. Met zijn procédé is meer dan 99% van alle zwavelwaterstof te verwijderen. De zeer zuivere zwavel die het proces oplevert, is zeer gewild in de chemische industrie. Zo kan je er rubber mee vulcaniseren en kunstmest van maken. Andere methoden om zwavel te winnen zijn veel bewerkelijker.
In één jaar installatie terugverdiend
Toen Industriewater Eerbeek, dat zwavel terugwint uit papierpulp, in 1993 als eerste bedrijf ter wereld Buismans bioreactor, de Thiopaq, installeerde, bleek dit een doorslaand succes. De investering van ongeveer een ton bleek per jaar maar liefst 130 000 euro op te leveren en was dus al in minder dan een jaar terugverdiend. Wereldwijd zijn ondertussen meer dan honderd Thiopaqs verkocht en de verkoop gaat door. Het gevolg is dat twee energieverslindende en milieuvervuilende processen – de verwijdering van zwavelwaterstof en het produceren van zwavel – nu steeds meer worden vervangen door dit slimme procédé.
Meer dan veertienhonderd verschillende soorten bacteriën, waarvan er meer dan zeshonderd niet eens in een bekende familie konden worden ondergebracht. Een expeditie naar de diepzee of een Antarctisch zoutmeer? Nee, een proef, waarbij 95 monsters uit de menselijke navel werden verzameld. Een bewijs dat de bacteriediversiteit veel en veel groter is dan tot nu toe gedacht.
In onze navels blijken zich zeker zeshonderd bacteriesoorten te bevinden die nooit eerder zijn aangetroffen.
De eerste resultaten van het Belly Button Biodiversity project zijn binnengekomen, en in de 95 monsters die tot nu toe zijn verzameld blijken een verbijsterende 1400 soorten bacteriën voor te komen. 662 soorten hiervan konden zelfs niet in een bekende bacteriefamilie worden ondergebracht. Klaarblijkelijk bevindt zich een uniek ecosysteem in onze buik.
Het project was bedoeld als PR-stunt, maar blijkt nu dus wel degelijk onverwachte, en dus wetenschappelijk relevante resultaten op te leveren. Monsters bacteriën die uit de navels van vrijwilligers zijn geplukt, werden geanalyseerd voor een stukje DNA dat een soort genetische stamboom vormt voor bacteriën: het gen voor 16s ribosomaal RNA. Ribosomen zijn oeroude moleculen die RNA vertalen in eiwitten en werkelijk in elke levende cel op aarde voorkomen. Daarom is dit gen ook zo bruikbaar om stambomen van bacteriën op te stellen.
Dit maakt duidelijk dat onze kennis van de meest voorkomende vorm van leven op aarde hopeloos in de kinderschoenen staat en dat we nog maar heel weinig bacteriesoorten kennen. Dat is ook niet verwonderlijk – volgens sommige schattingen is het grootste deel van alle biomassa bacterie. Zelfs wij slepen kilo’s aan bacteriën in ons lichaam mee. Ook zijn bacteriën zonder DNA-onderzoek lastig uit elkaar te houden.
Het is ook lastig om bacteriën in soorten in te delen. Bacteriën van verschillende soorten kunnen DNA uitwisselen – de reden dat antibiotica-resistentie zich zo snel verspreidt. Het onderzoeksteam deelde ze daarom in “operational taxonomic units” in met 16S ribosomal RNA gen sequenties die drie procent of minder van elkaar verschillen. Als deze standaard op zoogdieren zou worden toegepast, zouden honden en katten (of mensen en andere mensapen) in één groep worden ingedeeld. Een ‘match’ betekent dus in de praktijk vaak een verschil van miljoenen jaren – in bacterietermen zeker een eeuwigheid.
Hoewel er een groot aantal bacteriestammen is aangetroffen, lijken de resultaten tot nu toe er op te wijzen dat een kleine groep van ongeveer veertig soorten verantwoordelijk is voor ongeveer tachtig procent van alle bacteriën in onze navel. De onderzoekers vermoeden daarom dat deze veertig soorten de inheemse bewoners van onze navel zijn en de overige bacteriën als tijdelijke, mogelijk pathogene, bewoners. Waar navelstaren al niet goed voor is…
Wacht nog even met het kappen van die bemoste oude bomen. Mosbacteriën blijken namelijk twee keer zoveel stikstof vast te kunnen leggen als de bacteriën in de bodem. Zouden we deze bacteriën kunnen gebruiken voor biologische landbouw?
Mos als kunstmest
Oude bemoste bomen zijn de grootste stikstofbronnen van het bos. Bron: bterrycompton, Flickr
Een nieuwe studie door Dr. Zoë Lindo, een post-doc fellow van de faculteit Biologie van de McGill Universiteit en Jonathan Whiteley, a doctoraalstudent van dezelfde faculteit hebben aangetoond dat grote, oude bomen wel eens erg belangrijk kunnen zijn voor de gezondheid van bossen. Dit onderzoek toont aan dat er een essentieel verschil is tussen productiebossen met alleen jonge, snelgroeiende bomen en oudere bossen, waar veel eeuwenoude bomen voorkomen. Lindo’s onderzoek laat zien dat de interactie tussen oude bomen, mossen en cyanobacteriën de kringloop van nutriënten zo ondersteunen dat het bos van veel stikstof wordt voorzien.
Stikstofbinding kost veel energie
Onze lucht bestaat voor bijna viervijfde uit stikstofgas: moleculen die uit twee stikstofatomen. Het kost helaas extreem veel energie om de twee stikstofatomen uit elkaar te trekken omdat er een driedubbele atoombinding tussen zit. Planten lukt dat niet. Alleen bepaalde bacteriën krijgen dat voor elkaar, bijvoorbeeld de rhizobium-bacteriën in de wortels van vlinderbloemigen zoals erwten en bonen. In een kunstmestfabriek wordt het energievretende Haber-Bosch proces gebruikt waarbij stikstof en waterstof met elkaar worden verhit. De ecologische relatie is ingewikkeld: de bomen bieden onderdak aan mos, dat weer onderdak biedt aan de cyanobacteriën die de stikstof vastleggen. Een belangrijk deel van ons energiegebruik komt voor rekening van stikstofbinding.
Stikstof uit cyanobacteriën in mossen
De groei en ontwikkeling van veel wouden wordt beperkt door een gebrek aan stikstof. Al eerder is gevonden dat cyanobacteriën in mossen op de bodem stikstof aan arctische wouden leveren, maar tot nu toe zijn cyanobacteriën niet bestudeerd in de kustbossen aan de Amerikaanse westkust of op de bovenkant van bomen. Lindo verzamelde met haar doctoraalstudent mos in bomen van vijftien tot dertig meter hoog en toonde aan dat cyanobacteriën op dertig meter hoogte veel meer voorkomen en ook twee keer zoveel stikstof vastlegden als hun soortgenoten op de bodem.
Mos is cruciaal. De hoeveelheid stikstof van het bladerdek hangt af van de hoeveelheid mos die op bomen groeit. “Je hebt bomen nodig die groot en oud genoeg zijn, zodat hun schors dik genoeg is en ze gekoloniseerd worden door mos. Pas dan vestigen zich de stikstofbindende cyanobacteriën,” aldus Lindo. “Bomen beginnen pas met het vergaren van mos als ze ouder zijn dan een eeuw. Dus is vooral de dichtheid van oude bomen die begroeid zijn in mos belangrijk. We onderzochten bomen die naar schatting vijfhonderd tot achthonderd jaar oud waren.”
Cyanobacteriën als kunstmest
Mogelijk zijn deze bacteriën ook in te zetten in de landbouw, bijvoorbeeld door ze te laten groeien op landbouwgewassen of de bodem daartussen. Ze zouden hiervoor gesproeid kunnen worden.Dit zou veel kunstmest besparen en hiermee energie. Ook zou deze natuurlijke bemestingsmethode veel fossiele brandstofverbruik schelen. Op dit moment wordt veel aardgas gebruikt voor de productie van nitraatmeststoffen en ammoniummeststoffen. Zo gaat bijna de hele aardgasproductie van Bangladesh hieraan op.
