Plastic afval … één van de grootste milieuproblemen van de 21e eeuw. Momenteel wordt slechts 30% van het plastic afval gerecycled. De gangbare recyclingprocessen verbruiken veel energie en hebben een hoge CO2 uitstoot, maar biochemische recycling biedt een duurzamere uitweg. Door de hightech toetredingsdrempel van op fermentatie gebaseerde enzymproductie-systemen is dit echter vaak niet uitvoerbaar of betaalbaar. Centre of Expertise Biobased Economy (CoE BBE) en Ginko Bioworks werken samen aan een belangrijke stap om het toch mogelijk te maken.
Hoe ziet in dit geval het biochemisch proces eruit? Plastics bestaan altijd uit grote moleculen, ook wel polymeren genoemd. Polymeren bestaan op hun beurt uit een heleboel identieke deeltjes die als een soort ketting aaneengeregen zijn. Deze afzonderlijke deeltjes noemen we monomeren. In het biochemisch recycling proces van plastic afval breken enzymen de polymeren af tot herbruikbare monomeren, waarvan weer nieuwe producten te maken zijn. Recent onderzoek toonde al aan dat microbiële enzymen voor de afbraak van PET en PU kunnen zorgen. Deze plastic afbrekende enzymen zijn te produceren via schimmelsoorten door middel van fermentatie. Om precies te weten hoe het fermentatieproces vordert en wanneer de juiste samenstelling bereikt is komt een moleculaire monitoringsmethode om de hoek kijken. RNA sequencing in dit geval.
Monitoren
RNA-sequencing maakt een momentopname van het enzymproductieproces in de cel. En zodra je deze informatie hebt is het proces van enzymproductie te monitoren. Het helpt ook om de hoeveelheid herbruikbare monomeren te voorspellen. Het nadeel is dat conventionele RNA-sequencing-platforms duur zijn in aanschaf. 2 miljoen euro is voor de meeste bedrijven niet haalbaar. Daarbij komt dat elke analyseronde een doorlooptijd van 6 weken heeft en dat de datasets uitgebreid zijn, waardoor alleen experts er handig mee zijn. Daarom hebben Ginkgo Bioworks en CoE BBE een betaalbaar, draagbaar en semi-realtime moleculair monitoringsysteem ontwikkeld om het procesontwerp van het fermentatieproces van plastic afbrekende enzymen te optimaliseren.
Nieuwe methode
Wat is er zo bijzonder aan deze nieuwe methode? MiaoMiao Zhou is onderzoeker bij het lectoraat Biobased Building Blocks & Products van CoE BBE: “De grote meerwaarde is dat de door ons geselecteerde methode slechts een investering nodig heeft van 5.000 euro in plaats van 2 miljoen. Een van onze nieuwe designs biedt zelfs de mogelijkheid om 4 verschillende tests tegelijk te laten plaatsvinden. Dit scheelt enorm in kosten en tijd. Resultaten zijn nu binnen 20 uur af te lezen, dat is wel wat anders dan 6 weken. Dit helpt enzym-producerende bedrijven om hun werk te verbeteren. Daarbij kan biochemische recycling op basis van enzymen veel toegankelijker zijn voor bedrijven om intensief te gebruiken.”
Ginkgo Bioworks heeft voor het onderzoek niet alleen samples geleverd, maar ook expertise ingebracht. Als ontwikkelaar van platform technologieën, dat zich bezighoudt met de ontwikkeling van industriële micro-organismen en productieprocessen voor biotechnologische toepassingen, zijn de resultaten van dit project zeer belangrijk.
Peter Punt, Ginkgo Bioworks: “We hebben prettig samengewerkt met de onderzoekers van CoE BBE en zijn tevreden over de resultaten. Deze bieden inzicht in nieuwe high-throughput technologieën om complexe processen in schimmels te ontrafelen. Op de lange termijn leidt het niet alleen tot mildere recyclingmethoden, maar ook tot een beter begrip van hoe we een biologisch afbreekbaar materiaal moeten ontwerpen.”
Samen met onderwijs
5 stagiaires hebben onder de gezamenlijke supervisie van CoE BBE- en Ginkgo Bioworks-experts uitstekend werk geleverd bij het ontwerpen, uitvoeren en optimaliseren van experimenten. Het bijwonen van zo'n praktijkgericht onderzoeksproject heeft deze toekomstige bio-ingenieurs gemotiveerd om dit werk door te zetten. Zo ook Laura.
Laura Smolders is afgestudeerd student Avans Biomedisch Laboratorium onderzoek. “Het was erg leuk om mee te werken aan dit project. Ik heb ontzettend veel geleerd en het voelt goed dat ik heb bijgedragen aan de behaalde resultaten. Ik wil me de komende tijd verder ontwikkelen als bio-ingenieur en daarvoor volg ik momenteel een masteropleiding bij de Radboud Universiteit.”
1 van de duurzaamste oplossingen
Door gastcolleges en het delen van experimentele protocollen hebben de onderwerpen plastic biodegradation, RNA-seq gebaseerde moleculaire monitoring, schimmelbiologie en productiestamverbeteringen een mooie plek gekregen binnen het onderwijs. Biochemische recycling door microbiële enzymen blijkt dus 1 van de duurzaamste oplossingen om het wereldwijde probleem van plastic afval te verminderen. Met de onderzoeksresultaten van dit project is deze manier recycling van enzymproductie een haalbare optie geworden voor bedrijven. Nieuwe projecten rondom dit thema zijn al geïnitieerd, stay tuned!
Dit onderzoek werd uitgevoerd binnen een KIEM GoChem project van Regieorgaan SIA