Metabolische kosten: waarom een cel betaalt voor wat wij haar laten maken
Stel je een bakker voor die naast brood ook opeens taarten moet bakken voor de buren, zonder er een extra oven of extra uren bij te krijgen. De taarten kosten meel, boter en tijd die anders naar het brood waren gegaan. De bakkerij draait door, maar er komt minder brood uit, en soms raakt de bakker uitgeput. Zoiets gebeurt er in een cel die door wetenschappers is aangepast om een nuttige stof te maken, zoals een medicijn, een brandstof of een geursteon. De cel moet die extra taak uitvoeren bovenop haar gewone werk: groeien, zichzelf repareren en zich vermenigvuldigen.
Metabolische kosten zijn de prijs die een cel daarvoor betaalt, uitgedrukt in energie en bouwstoffen die niet meer beschikbaar zijn voor haar eigen onderhoud. Hoe hoger die kosten, hoe trager de cel groeit, hoe minder van het gewenste product er uiteindelijk uitkomt, en hoe groter de kans dat de cel via evolutie een sluiproute zoekt om van de opgelegde taak af te komen. Voor iedereen die met gengemanipuleerde microben werkt om duurzame chemicaliën, medicijnen of voedingsstoffen te produceren, zijn metabolische kosten daarom een van de grootste praktische obstakels.
Wat is het precies?
Elke cel heeft een beperkt budget. Dat budget bestaat uit energie, meestal in de vorm van het molecuul ATP (adenosinetrifosfaat, de energie-"munt" van bijna alle levende cellen), en uit bouwstoffen zoals aminozuren, suikers en vetten. Dit budget wordt normaal verdeeld over processen die de cel nodig heeft om te overleven en te delen: DNA kopiëren, eiwitten maken, celwanden opbouwen, afvalstoffen afvoeren.
Wanneer onderzoekers met technieken uit de synthetische biologie een nieuw stukje DNA in een cel inbouwen, bijvoorbeeld een reeks genen die samen een medicijnvoorloper produceren, moet de cel dat DNA aflezen en de bijbehorende eiwitten aanmaken. Die eiwitten kosten energie en aminozuren om te bouwen, en de nieuwe chemische route (het "metabole pad") die ze vormen, verbruikt vaak ook nog eens suikers of andere grondstoffen die de cel anders voor haar eigen groei had gebruikt. Dat totale beslag op het cellulaire budget noemen wetenschappers de metabolische kosten of, in het Engels, de "metabolic burden".
Om die kosten in kaart te brengen, gebruiken onderzoekers vaak genoombrede metabole modellen: complete wiskundige beschrijvingen van alle chemische reacties die in een organisme kunnen plaatsvinden. Met een rekenmethode die flux balance analysis heet, berekenen ze hoe stofstromen (fluxen) door dat netwerk waarschijnlijk zullen lopen als je een nieuw pad toevoegt, en waar de knelpunten ontstaan. Zo kunnen ze vooraf inschatten hoeveel groei een cel zal inleveren voor een bepaalde hoeveelheid product, nog voordat ze het echte experiment in het laboratorium uitvoeren.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is simpel te omschrijven, ook al is het lastig te bereiken: cellen zo efficiënt mogelijk laten werken als kleine fabriekjes, zodat biologische productie economisch kan concurreren met chemische fabrieken op basis van aardolie. Drie getallen staan daarbij centraal in de sector, vaak afgekort als TYP: titer (hoeveel product er per liter kweekvloeistof ontstaat), yield (hoeveel product je uit een bepaalde hoeveelheid grondstof haalt) en productivity (hoe snel dat proces verloopt). Hoge metabolische kosten drukken alle drie deze waarden omlaag.
Er is nog een dieperliggende reden waarom dit veld zo veel aandacht krijgt. Klassieke chemische productie van bijvoorbeeld kunststoffen, brandstoffen of geneesmiddelen leunt zwaar op fossiele grondstoffen en genereert vaak veel afval en CO2. Cellen die op suiker of zelfs op afvalstromen kunnen draaien, bieden in theorie een schoner alternatief. Maar dat alternatief is alleen aantrekkelijk als de cellen voldoende product leveren tegen een acceptabele snelheid, en dat is precies waar het beheersen van metabolische kosten om de hoek komt kijken.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste succesverhalen komt van het laboratorium van Jay Keasling aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Zijn team herprogrammeerde gistcellen om artemisinezuur te maken, de bouwsteen voor artemisinine, het belangrijkste malariamedicijn. Het project startte begin jaren 2000 en leidde via jarenlange optimalisatie van de metabolische belasting tot commerciële productie door het bedrijf Amyris, dat vanaf 2013 samen met farmaceut Sanofi semisynthetische artemisinine op de markt bracht.
Het Amerikaanse bedrijf Impossible Foods gebruikte vergelijkbare technieken om gistcellen heem te laten produceren, het ijzerhoudende molecuul dat vlees zijn typische smaak en kleur geeft. Dit "soja-leghemoglobine" werd vanaf 2016 gebruikt in de Impossible Burger, en het optimaliseren van de gistfabriek om genoeg heem te maken zonder de groei stil te leggen was daarbij een centrale technische uitdaging.
Het Amerikaanse bedrijf Ginkgo Bioworks, opgericht in 2008 in Boston, bouwde een geautomatiseerde "organisme-foundry" die voor uiteenlopende klanten microben ontwerpt, van geurstoffen tot landbouwenzymen. Het bedrijf ging in 2021 naar de beurs en gebruikt grootschalige robotica en data-analyse om precies te meten hoeveel metabolische ruimte een cel overheeft voordat de groei instort.
Al eerder, vanaf 2006, brachten DuPont en Tate & Lyle via het bedrijf Genencor een industrieel proces op de markt waarbij genetisch aangepaste Escherichia coli-bacteriën 1,3-propaandiol produceren, een bouwsteen voor de textielvezel Sorona. Dit gold destijds als een van de eerste grootschalige bewijzen dat metabolisch geoptimaliseerde bacteriën een petrochemisch proces konden vervangen.
Een recenter voorbeeld is de productie van steviolglycosiden, de zoetstof uit de steviaplant, door bedrijven als Evolva en Manus Bio met gengemanipuleerde gist. Vanaf ongeveer 2018 kwamen deze "fermentatiestevia"-producten op de markt als alternatief voor extractie uit plantenblad, wat weer een directe toepassing is van diezelfde balans tussen productopbrengst en celgroei.
Hoe ver is de techniek?
De rekenmodellen om metabolische kosten te voorspellen zijn de afgelopen twintig jaar sterk verbeterd, en genoombrede modellen bestaan inmiddels voor tientallen veelgebruikte organismen. Toch blijft de vertaalslag naar de praktijk lastig. Cellen gedragen zich in het echte laboratorium vaak net anders dan het model voorspelt, onder meer omdat regelmechanismen binnen de cel dynamisch reageren op stress, iets wat modellen niet altijd volledig meenemen.
Een hardnekkig probleem is genetische instabiliteit: cellen die zwaar belast worden door een kunstmatig pad, hebben via mutaties soms een evolutionair voordeel als ze dat pad afstoten of uitschakelen. Bij langdurige industriële fermentatie, die weken kan duren, kan dit ertoe leiden dat een steeds groter deel van de celpopulatie stopt met produceren. Onderzoekers proberen dit tegen te gaan met technieken als dynamische regulatie, waarbij de productieroute pas wordt aangezet nadat de cel al voldoende gegroeid is, en met orthogonale systemen, ontworpen circuits die losstaan van de natuurlijke regelmechanismen van de cel en daardoor minder snel per ongeluk worden uitgeschakeld.
Over het geheel genomen bevindt het vakgebied zich in een fase van gestage, geen explosieve vooruitgang. Voor goed gekarakteriseerde producten zoals artemisinine of bepaalde geurstoffen is de weg van laboratorium naar fabriek grotendeels bekend. Voor complexere moleculen, of voor productie op de allergrootste industriële schaal, blijft het beheersen van metabolische kosten een belangrijke, nog niet volledig opgeloste bottleneck, vaak aangeduid als de "scale-up valley of death" tussen veelbelovend laboratoriumresultaat en winstgevend industrieel proces.
Wie werken eraan?
Academisch loopt de Verenigde Staten voorop, met onderzoeksgroepen zoals die van Jay Keasling, verbonden aan zowel UC Berkeley als het Joint BioEnergy Institute (JBEI), en aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), waar veel fundamenteel werk aan synthetische regelcircuits wordt gedaan. In Europa dragen onder meer het Deense DTU Biosustain in Kopenhagen en het Duitse Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology bij aan het modelleren en beheersen van metabole belasting.
Op bedrijfsniveau zijn Ginkgo Bioworks en Amyris (beide Verenigde Staten) toonaangevende namen in de commerciële toepassing, naast gevestigde industriële-biotechbedrijven zoals het Deense Novozymes en het Nederlandse DSM-Firmenich, die al decennialang enzymen en fijnchemicaliën met microben produceren. Ook grote chemieconcerns zoals BASF en voormalig DuPont hebben eigen programma's voor metabole engineering. Vakbladen als Metabolic Engineering en Nature Biotechnology vormen de belangrijkste publicatiekanalen waarin nieuwe modellen en resultaten worden gedeeld, en de jaarlijkse internationale studentenwedstrijd iGEM (international Genetically Engineered Machine) brengt wereldwijd nieuwe generaties onderzoekers met dit thema in aanraking.