Exopolysacchariden: hoe microben hun eigen beschermlaag van suiker bouwen
Wie ooit een gladde, glibberige steen in een beek heeft vastgepakt, heeft eigenlijk al kennisgemaakt met exopolysacchariden. Die slijmerige laag bestaat voor een groot deel uit lange suikerketens die bacteriƫn om zichzelf heen hebben gebouwd, een beetje zoals een slak een spoor van slijm achterlaat om zich te beschermen en beter te kunnen hechten aan een ondergrond. Bij bacteriƫn gaat het niet om toeval: het is een actief geproduceerd bouwmateriaal.
De term is minder ingewikkeld dan hij klinkt. "Poly" betekent veel, "sacharide" is een ander woord voor suiker, en "exo" wil zeggen buiten de cel. Een exopolysacharide (EPS) is dus een lange keten van suikermoleculen die een micro-organisme, meestal een bacterie, naar buiten uitscheidt. Diezelfde stoffen kennen we uit de supermarkt: xanthaangom in slasaus en gellaangom in plantaardige melk zijn beide exopolysacchariden, geproduceerd door bacteriƫn in grote gistingstanks. Wat ooit een overlevingsstrategie van microben was, is inmiddels een industrie op zich geworden.
Wat is het precies?
Bacteriƫn, en in mindere mate ook schimmels en algen, kunnen suikermoleculen zoals glucose, mannose en galactose aan elkaar knopen tot lange, vaak vertakte ketens. Speciale enzymen in en op de celwand zetten die ketens in elkaar en transporteren ze vervolgens naar buiten. Sommige van die ketens blijven aan de cel vastzitten als een soort capsule, andere worden helemaal losgelaten in de omgeving als vrij slijm.
De precieze samenstelling verschilt enorm per soort microbe en zelfs per omstandigheid: dezelfde bacterie kan bij droogte of stress een ander type EPS maken dan onder gunstige omstandigheden. Sommige EPS-varianten zijn elektrisch geladen, waardoor ze metaalionen kunnen binden; andere zijn juist heel goed in water vasthouden.
De belangrijkste functie is bescherming. Veel bacteriƫn leven niet los van elkaar, maar in een gezamenlijke slijmlaag die biofilm heet: een soort microscopisch stadje waarin miljoenen cellen ingebed zitten in hun eigen EPS-matrix. Die matrix houdt vocht vast, houdt antibiotica en afweercellen van het lichaam op afstand, beschermt tegen uitdroging, UV-straling en extreme zoutconcentraties, en zorgt dat cellen aan oppervlakken blijven plakken. Tandplak is een bekend, minder prettig voorbeeld van zo'n biofilm.
Wat wil men ermee bereiken?
Voor de industrie zijn deze plaksuikers om twee redenen interessant. Ten eerste zijn ze al decennialang bruikbaar als verdikkingsmiddel, stabilisator of gel: xanthaangom (E415) en gellaangom (E418) zitten in duizenden voedingsproducten, van sausen tot glutenvrij brood, en zijn goedkoper en stabieler te produceren dan veel plantaardige alternatieven.
Ten tweede zoekt men, aangejaagd door de wens om minder afhankelijk te zijn van aardolie, naar EPS als grondstof voor duurzame materialen. Bacterieel cellulose bijvoorbeeld heeft mechanische eigenschappen die interessant zijn voor verpakkingen, wondverband en zelfs kunstleer. Andere doelen zijn medische toepassingen zoals dragermateriaal voor kweekweefsel, omdat EPS vaak goed door het lichaam wordt verdragen, en gebruik in waterzuivering, waar negatief geladen EPS zware metalen en verontreinigingen uit water kan binden. In de landbouw wordt onderzocht of EPS bodemstructuur kan verbeteren en planten kan helpen tegen droogte- en zoutstress. En in de biotechnologie hoopt men, dankzij synthetische biologie, bacteriƫn zo aan te passen dat ze EPS met precies de gewenste eigenschappen produceren, in plaats van te moeten zoeken naar wat de natuur toevallig al levert.
Voorbeelden uit de praktijk
Xanthaangom is het bekendste voorbeeld. De stof werd in de jaren vijftig ontdekt bij Amerikaans landbouwkundig onderzoek naar bacteriƫle slijmstoffen, geproduceerd door de bacterie Xanthomonas campestris, en is sinds de jaren zestig in industriƫle fermentatietanks op grote schaal gemaakt. Naast voeding wordt xanthaangom tegenwoordig ook gebruikt in boorvloeistoffen voor de olie- en gaswinning en als bindmiddel in 3D-printinkten.
Gellaangom, afkomstig van de bacterie Sphingomonas elodea, verving vanaf de jaren negentig in veel toepassingen agar (een polysacharide uit zeewier) omdat het helderdere, steviger gels vormt. Onderzoekers gebruiken het inmiddels ook als bestanddeel van kweekmedia voor plantaardig weefsel en als drager in 3D-bioprinting van cellen.
Bacterieel cellulose, geproduceerd door azijnzuurbacteriƫn van het geslacht Komagataeibacter, wordt al sinds de jaren tachtig en negentig gebruikt in medische wondverbanden vanwege de hoge vochtopname en biocompatibiliteit. De laatste jaren experimenteren jonge biotechbedrijven ermee als duurzaam alternatief voor leer en synthetisch textiel, door de bacteriƫn in platte vaten te kweken tot er een dichte cellulosemat ontstaat.
Hyaluronzuur, bekend van huidverzorging en medische vullers, werd vroeger uit hanenkammen geƫxtraheerd, maar wordt nu grotendeels via bacteriƫle fermentatie gemaakt met gastheerbacteriƫn zoals Bacillus subtilis. Dat is goedkoper, dierproefvrij en beter schaalbaar.
Ook wetenschappelijk minder bekende EPS uit extreme omgevingen krijgen aandacht: bacteriƫn uit poolijs en diepzeebronnen maken EPS die celoverleving bij vrieskou of extreme druk mogelijk maakt, iets waarnaar marien-biologische instituten onderzoek doen met het oog op cryobescherming en het beter begrijpen van leven onder extreme omstandigheden.
Hoe ver is de techniek?
Voor de gevestigde producten is de technologie volwassen: xanthaan- en gellaangom worden al tientallen jaren op industriƫle schaal geproduceerd, met geoptimaliseerde bacteriestammen en goed begrepen fermentatieprocessen. Dat is een heel ander stadium dan de nieuwere toepassingen.
Bacterieel cellulose als leervervanger, EPS als bioplastic, en op maat gemaakte EPS via synthetische biologie bevinden zich vooral nog in de onderzoeks- en pilotfase. De belangrijkste obstakels zijn kosten: fermentatie en zuivering zijn vaak duurder dan het maken van plastic uit aardolie, en opschalen van laboratoriumresultaten naar fabrieksniveau blijkt in de praktijk lastig. Daarnaast is de EPS-productie van bacteriƫn gevoelig voor kleine variaties in kweekomstandigheden, wat batches inconsistent kan maken.
Een extra complicatie is dat het overgrote deel van de microben op aarde niet in het laboratorium te kweken is. Onderzoekers gebruiken daarom steeds vaker metagenomica, het rechtstreeks uitlezen van DNA uit bodem- of zeewatermonsters, om genen voor interessante nieuwe EPS-varianten op te sporen zonder de bijbehorende bacterie ooit te hebben gezien. Vooruitgang in genetische manipulatie en machine learning voor eiwitontwerp versnelt de zoektocht naar EPS met precies de gewenste eigenschappen, maar een doorbraak die EPS op grote schaal laat concurreren met petrochemische plastics is er nog niet.
Wie werken eraan?
De gevestigde EPS-markt wordt gedomineerd door grote voedings- en biotechbedrijven zoals CP Kelco, Cargill, DSM-Firmenich, Corbion en Novozymes, die fermentatietechnologie combineren met decennia aan proceskennis. Daarnaast zijn er gespecialiseerde startups die bacterieel cellulose en andere EPS willen inzetten voor duurzame materialen zoals textiel- en leervervangers.
Op onderzoeksgebied spelen universiteiten met sterke microbiologie- en biotechnologieafdelingen een grote rol, met Wageningen University & Research in Nederland als voorbeeld van een instituut dat veel fermentatie- en voedingsbiotechnologisch onderzoek doet. Marien-biologische instituten, waaronder het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), bestuderen EPS van bacteriƫn uit extreme zeemilieus. Internationaal zijn de Verenigde Staten, de Europese Unie (met Denemarken en Nederland als opvallende spelers dankzij bedrijven als Novozymes en DSM) en China, als grote industriƫle producent van xanthaangom, de belangrijkste centra van activiteit.