Grøn omstilling
En genmodificeret en gærcelle gør det muligt at udnytte industriens miljøbelastende spildevand til fremstilling af fødevarer, foder og enzymer – og måske også fremtidens bæredygtige brændstoffer.
Lektor José Martinez fra DTU Bioengineering har i mange år forsket i gærceller, som i naturen er tilpasset ekstreme forhold som høje temperaturer, lavt næringsindhold eller høj salinitet (saltholdighed). D. hansenii er netop tilpasset vandmiljøer med høj salinitet og trives i vand, som er op til seks gange så salt som normalt havvand. Det gav lektoren en idé.
”Der er virksomheder, som skaber affaldsstrømme, der er rige på næringsstoffer, men som også har et meget højt saltindhold, og det er ofte et problem. Saltindholdet forhindrer udnyttelsen af næringsstofferne, og samtidig medfører det, at virksomhederne ikke kan udlede affaldsstrømmene som almindeligt spildevand, men må specialbehandle det, og det er omkostningsfuldt. Hvorfor prøver vi ikke at dyrke denne gærtype i disse salte affaldsstrømme?” spurgte han sig selv.
José og hans forskerteam kontaktede derfor Arla Foods og fik en aftale om at teste D. hansenii i et stærkt saltholdigt restprodukt fra osteproduktion – et restprodukt, som samtidig var rigt på sukkerstoffet laktose. Forsøget gik over al forventning. Gærcellerne omsatte uden problemer sukkerstoffet fra denne affaldsstrøm, og jo højere saltindholdet var, des mere effektivt var væksten. Men gærvæksten var dog ikke helt så effektiv, som den kunne være. Der var simpelthen for lidt kvælstof til stede.
Manuel Quirós arbejder som specialist hos Novo Nordisk og har ligesom José Martinez forsket i gærtypen D. hansenii. Under et venskabeligt kaffemøde kom de to biologer til at diskutere begrænsningerne i DTU-forskerens resultater med den laktoserige affaldsstrøm. Manuel Quirós fortalte, at Novo Nordisk i forbindelse med fremstilling af blødermedicin har et saltholdigt restprodukt med højt kvælstofindhold, og mente, at det måske kunne bruges. Og der var ikke langt fra kaffesnak til forsøgsopstilling.
”Vi blandede simpelthen de to saltholdige affaldsstrømme – den med højt laktoseindhold og den med højt kvælstofindhold. Vi brugte dem, som de var. Vi behøvede ikke at tilsætte ferskvand, og vi behøvede heller ikke at sterilisere fermenteringstanken, for saltet forhindrede væksten af andre mikroorganismer. Det var plug and play,” som lektoren udtrykker det.
D. hansenii stortrivedes i denne salte blanding. Men hvis det skulle have andet end forskningsmæssig interesse, så skulle gæren også producere et kommercielt interessant produkt, og ved hjælp af genteknologien CRISPR modificerede José Martinez’ forskerhold D. hansenii til at danne et protein, når det voksede.
Fakta
CRISPR er en teknologi, man bruger til at klippe cellers DNA over på et bestemt sted. Den mest almindelige type CRISPR er CRISPR/Cas9. Cas9 er det protein, der klipper DNA’et over.
CRISPR/Cas9 er på få år blevet et meget udbredt redskab til genmodificering, fordi metoden er hurtig, præcis og forholdsvis enkel at bruge.
Man kan bruge CRISPR/Cas9 til at:
CRISPR-teknologien sætter forskerne i stand til at ændre på gærcellen, så den kan producere mange forskellige proteiner og også andre stoffer. I første omgang lagde de sig fast på et fluorescerende protein, der skulle bruges som et modelstof. På den måde kunne de på en enkel måde få et mål for produktionen ved at måle, hvor kraftigt fluorescerende væsken var, når gærcellerne havde været i gang.
Forskerne testede flere blandinger af affaldsstrømmene fra Arla Foods og Novo Nordisk, og den optimale blanding havde en saltholdighed på omkring det dobbelte af havvand og et sukkerindhold på ca. 12 gram pr. liter.
At benytte gærtypen D. hansenii er ikke noget nyt. Den har været genstand for intens forskning i flere årtier. Men det, forskningen tidligere har været fokuseret på, har været at finde det gen i gærcellerne, som gør dem salttolerante, og så prøve at overføre dette gen til planter, så de bedre kan tåle høj salinitet. Det har dog vist sig at være yderst komplekst, for salttolerancen ser ud til at være knyttet til flere gener, der arbejder sammen.
Hvad José Martinez og hans forskerkolleger har gjort, er at benytte selve gærcellerne og deres salttolerante egenskaber og så modificere dem til selv at producere noget, som vi så kan udnytte. Selvom det lyder enkelt, så var det resultatet af to års intens forskning for José Martinez og hans forskerkolleger, inden det lykkedes at få et gennembrud.
Med CRISPR-teknologien er døren åbnet for en lang række produkter baseret på D. hansenii og industriens affaldsprodukter. José Martinez ser store muligheder i f.eks. mælkeerstatninger, kunstigt kød, forskellige proteinbaserede pigmenter og enzymer. Men man kan også bruge gærcellerne i sig selv uden at producere hverken proteiner eller enzymer. Selve gærbiomassen kan anvendes i foderstoffer til kalve og andre dyrehold, og så vil gæren kunne bruges til behandling af kød, så man opnår en langt mere effektiv modning.
Det er dog ikke udelukkende inden for fødevarer, José Martinez ser store muligheder. José deltager i øjeblikket i et forskningssamarbejde, hvor man udvikler bæredygtige brændstoffer. Her er det planen, at José Martinez sammen med sit forskerhold skal modificere D. hansenii til at producere lipider – fedtstoffer – der let kan omdannes til et grønt brændstof.
Netop det bæredygtige element i forskningen er vigtigt for Novo Nordisks engagement i projektet.
”Novo Nordisk ønsker at tage fuldt ansvar for hele vores værdikæde. Vores strategi går under navnet Circular for Zero. Vi har tre fokusområder: at reducere brug af ressourcer, reducere emissioner af CO2 og minimere affaldsstrømmene,” forklarer Manuel Quirós.
Selvom forskningsresultaterne med gærcellen D. hansenii er meget lovende, er der lang vej til en kommerciel udnyttelse. Indtil videre har DTU-forskerne kun arbejdet i laboratorieskala, hvor en-fem liter affaldsstrømme tilsat gærceller er blevet testet.
Næste skridt i opskaleringen er 10-30 liter, og allerede her forudser José Martinez, at der vil komme udfordringer med en effektiv ilttilførsel til hele væskemængden. Skridtet op til de flere tusind liter, der vil være tale om i en kommerciel produktion, vil byde på andre ukendte udfordringer, så der vil nok gå mindst 10 år, før vi ser gærtanke med D. hansenii i fuld skala.
Men DTU-forskeren er helt sikker på, at dette forskningsgennembrud er et vigtigt skridt i den grønne omstilling.
Fakta