Biomanufacturing: als cellen de fabriek zijn
Stel je een bierbrouwerij voor. Gist, een eencellig schimmeltje, zet suiker om in alcohol en koolzuurgas. De mens heeft dat proces niet uitgevonden, maar wel eeuwenlang verfijnd en op grote schaal ingezet. Biomanufacturing is in essentie hetzelfde principe, maar dan met veel geavanceerdere "werknemers": genetisch aangepaste bacteriën, gistcellen of zelfs dierlijke cellen die in grote roestvrijstalen tanks worden gekweekt om precies het product te maken dat je wilt, van een medicijn tot een stukje kunstleer.
Het verschil met traditionele fermentatie is dat de cellen tegenwoordig actief worden "geprogrammeerd". Onderzoekers knippen en plakken stukjes DNA zodat een bacterie of gistcel een specifiek eiwit aanmaakt dat er van nature niet, of in andere hoeveelheden, in zou zitten. Zo kan een gistcel bijvoorbeeld het eiwit aanmaken dat vlees zijn smaak geeft, zonder dat er een dier aan te pas komt. Biomanufacturing is dus de verzamelnaam voor het industrieel produceren van stoffen, materialen of voedsel met behulp van levende cellen als miniatuurfabriekjes.
Wat is het precies?
Het proces begint met genetisch ontwerp. Wetenschappers bepalen welk molecuul ze willen produceren, bijvoorbeeld insuline, een eiwit voor kunstleer of een aromastof, en zoeken uit welk stukje DNA daarvoor codeert. Dat DNA-fragment wordt ingebouwd in het genoom van een gastheer-organisme: vaak de bacterie Escherichia coli, bakkersgist, een schimmel of, bij complexere eiwitten, gekweekte dierlijke cellen.
Daarna volgt fermentatie, oftewel de kweek zelf. De aangepaste cellen worden in een bioreactor gezet: een gecontroleerde tank met voedingsstoffen, zuurstof, de juiste temperatuur en zuurgraad. De cellen groeien en delen zich, en produceren daarbij het gewenste molecuul. Dit kan gaan om enkele liters in een laboratorium tot honderdduizenden liters in een industriële fabriek.
Na de kweek volgt downstream processing: het scheiden van het gewenste product van de cellen, restvoedingsstoffen en afvalstoffen. Dit gebeurt met filtratie, centrifugeren en chromatografie (een techniek om moleculen op grootte of lading te scheiden). Het eindresultaat wordt vervolgens gezuiverd, getest op kwaliteit en veiligheid, en verwerkt tot een eindproduct.
Binnen biomanufacturing bestaan grofweg drie stromingen. Biofarmaceutische productie maakt medicijnen zoals insuline en antilichamen. Precisiefermentatie richt zich op specifieke moleculen zoals eiwitten, vetten of geursstoffen voor voeding en materialen. Cellulaire landbouw (ook wel kweekvlees genoemd) gaat een stap verder en kweekt hele weefsels van dierlijke cellen, met als doel eetbaar vlees zonder het dier te fokken en te slachten.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is duurzaamheid. Traditionele veeteelt en chemische synthese hebben een grote impact op land, water en uitstoot van broeikasgassen. Biomanufacturing belooft producten met een kleinere ecologische voetafdruk, omdat cellen efficiënter grondstoffen omzetten dan bijvoorbeeld een koe of een op aardolie gebaseerd chemisch proces.
Een tweede doel is betrouwbaarheid en schaalbaarheid van productie. Insuline werd vroeger gewonnen uit de alvleesklieren van varkens en runderen, wat de aanvoer kwetsbaar maakte. Met gekweekte bacteriën die insuline produceren, is de productie losgekoppeld van dierlijke grondstoffen en veel beter op te schalen.
Daarnaast speelt diervriendelijkheid een rol, vooral bij kweekvlees en dierlijke eiwitten zoals wei of caseïne (melkeiwitten) die nu ook zonder koe gemaakt kunnen worden. Tot slot hoopt de industrie op nieuwe materialen die met conventionele technieken niet of nauwelijks te maken zijn, zoals spinnenzijde-achtige vezels of leerachtige materialen op basis van schimmeldraden (mycelium).
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste en oudste voorbeeld is Humulin, het eerste recombinante humane insuline. Genentech ontwikkelde de techniek om E. coli-bacteriën insuline te laten produceren, en Eli Lilly bracht het product in 1982 op de markt. Het toonde voor het eerst aan dat biomanufacturing op industriële schaal en met medische goedkeuring haalbaar was.
Impossible Foods gebruikt sinds 2016 een gistsoort die genetisch is aangepast om sojaleghemoglobine te produceren, het ijzerhoudende eiwit dat de vleesachtige smaak en "bloederigheid" van de Impossible Burger geeft. De Amerikaanse voedselautoriteit FDA erkende dit eiwit later als veilig voor consumptie.
Perfect Day, opgericht in 2014, produceert wei-eiwitten (de eiwitten die ook in koemelk zitten) via precisiefermentatie met een schimmel. De eiwitten worden gebruikt in zuivelproducten zoals ijs en proteïnepoeders, zonder dat er een koe aan te pas komt.
GOOD Meat, onderdeel van het bedrijf Eat Just, kreeg eind 2020 in Singapore als een van de eerste bedrijven ter wereld toestemming om gekweekt kippenvlees te verkopen. In de Verenigde Staten kregen GOOD Meat en het bedrijf Upside Foods in 2023 goedkeuring van de Amerikaanse autoriteiten om gekweekt kip op de markt te brengen, al blijft de verkoop tot nu toe zeer beperkt.
Bolt Threads ontwikkelde Mylo, een leerachtig materiaal gemaakt van mycelium (het wortelachtige netwerk van schimmeldraden), en Microsilk, een spinnenzijde-eiwit geproduceerd in gist. Het Mylo-project laat zien dat de weg naar commercieel succes niet vanzelfsprekend is: het programma werd na financieringsproblemen aanzienlijk teruggeschroefd.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per toepassing. Biofarmaceutische productie is volwassen: al sinds de jaren tachtig worden op deze manier medicijnen, vaccins en antilichamen gemaakt, en het is inmiddels een gevestigde en strak gereguleerde industrie.
Precisiefermentatie voor voedingseiwitten is commercieel operationeel, maar nog relatief klein van schaal. Producten zoals die van Perfect Day of Impossible Foods zijn verkrijgbaar, maar de productiekosten liggen doorgaans nog hoger dan bij conventionele grondstoffen, wat de prijs en beschikbaarheid beperkt.
Kweekvlees staat het minst ver. De productievolumes zijn nog klein, de kosten hoog en slechts een handvol landen, waaronder Singapore, de Verenigde Staten en Israël, heeft regelgeving voor verkoop. Een belangrijk knelpunt is het opschalen van bioreactoren: wat in een laboratoriumbekertje lukt, blijkt op industriële schaal technisch en financieel veel lastiger, mede door de kosten van groeimedium en het risico op besmetting van de kweek.
Over de hele linie geldt dat opschalen, niet het lab-experiment zelf, de grootste hindernis is. Investeerders die enkele jaren geleden optimistisch waren over snelle groei, zijn voorzichtiger geworden nadat verschillende bedrijven in de sector moesten reorganiseren of stoppen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is Ginkgo Bioworks een van de grootste spelers in synthetische biologie en biomanufacturing-infrastructuur; het bedrijf nam in 2022 het worstelende materialenbedrijf Zymergen over. Andere Amerikaanse bedrijven die veel aandacht krijgen zijn Impossible Foods, Perfect Day, Upside Foods en Eat Just/GOOD Meat.
Op farmaceutisch gebied zijn gevestigde namen zoals Genentech (onderdeel van Roche), Eli Lilly en Novo Nordisk al decennialang actief in het produceren van insuline en andere biologische geneesmiddelen via gekweekte cellen.
Nederland speelt een relevante rol via DSM-Firmenich (ontstaan uit een fusie tussen het Nederlandse DSM en het Zwitserse Firmenich), een grote speler in industriële fermentatie-ingrediënten voor voeding en gezondheid. Op onderzoeksgebied is Wageningen University & Research internationaal toonaangevend op het snijvlak van biotechnologie, voeding en landbouw, onder meer op het gebied van cellulaire landbouw.
Ook Singapore neemt een bijzondere positie in: het land liep voorop met regelgeving voor kweekvlees en positioneert zich actief als testomgeving voor nieuwe biomanufacturing-technieken, mede om zijn afhankelijkheid van voedselimport te verkleinen.