Plantcelkweek: cellen uit de plant, zonder de hele plant
Stel je een brouwerij voor: bier wordt niet gemaakt door een heel korenveld in een fabriekshal te zetten, maar door gist — een handvol cellen — te laten vermenigvuldigen in een tank. Plantcelkweek werkt volgens een vergelijkbaar principe, maar dan met cellen uit planten in plaats van gist. In plaats van jarenlang een cacaoboom, een appelboom of een zeldzame struik te laten groeien om er uiteindelijk een handvol werkzame stoffen uit te halen, isoleren onderzoekers een paar cellen uit een blaadje of stengel en laten die cellen in een gecontroleerde tank — een bioreactor — uitgroeien tot een kweek die dezelfde stoffen aanmaakt als de oorspronkelijke plant.
Plantcelkweek (in het Engels plant cell culture) is dus geen gentechtruc waarbij iets compleet nieuws ontstaat, maar vooral een kweektechniek: eigenschappen die van nature al in een plant zitten, worden buiten die plant om vermeerderd. Dat gebeurt met uiteenlopende doelen, van medicijnen en cosmetica-ingrediënten tot — experimenteler — voedingsmiddelen als chocolade en koffie. De term duikt de laatste jaren vaker op omdat bedrijven en onderzoekers zoeken naar manieren om waardevolle plantenstoffen te maken zonder afhankelijk te zijn van landbouwgrond, seizoenen of kwetsbare gewassen.
Wat is het precies?
Het uitgangspunt is een eigenschap die vrijwel alle plantencellen delen: totipotentie, het vermogen van één cel om onder de juiste omstandigheden allerlei soorten weefsel te vormen, en in theorie zelfs een complete nieuwe plant. Dierlijke cellen kunnen dat niet — een menselijke huidcel wordt nooit vanzelf een orgaan — maar plantencellen wel. Dat maakt ze uitstekend geschikt om buiten de plant verder te kweken.
De eerste stap is het nemen van een klein, ontsmet stukje plantenweefsel: een blaadje, een stengel of een wortelpuntje. Dit zogeheten explantaat wordt op een voedingsbodem gelegd met suikers, mineralen en plantenhormonen (auxines en cytokinines) die celdeling opwekken.
Onder invloed van die hormonen 'ontspecialiseren' de cellen zich: ze verliezen hun oorspronkelijke functie en vormen een ongeorganiseerde klomp snel delende cellen, de callus genoemd. Deze callus is de basis voor alles wat volgt.
Stukjes callus gaan vervolgens in een vloeibare voedingsoplossing die voorzichtig wordt geroerd of geschud, zodat losse cellen en kleine celklonters blijven zweven en delen: een suspensiecultuur, te vergelijken met hoe een bakker gist laat werken in deeg — alleen zijn het hier de plantencellen zelf die zich vermenigvuldigen.
Daarna wordt de kweek opgeschaald: van een kolfje met enkele milliliters naar bioreactoren van honderden tot duizenden liters, waarin temperatuur, zuurstof, zuurgraad en voeding nauwkeurig geregeld worden. Soms voegen onderzoekers een 'elicitor' toe, een stressprikkel zoals een spoortje schimmelmateriaal, om de cellen aan te zetten meer van de gewenste stof te maken — planten produceren veel van hun waardevolle stoffen namelijk juist als afweerreactie.
Tot slot wordt geoogst. Soms is het doel de hele celbiomassa, bijvoorbeeld als grondstof voor een voedingsmiddel; soms wordt uit de cellen één specifieke stof gezuiverd, zoals een geneesmiddel of kleurstof.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is onafhankelijkheid van de grillen van de landbouw. Een gewas heeft seizoenen, grond, water en jaren nodig; een bioreactor draait het hele jaar door, op elke locatie, ook midden in een stad.
Voor zeldzame of bedreigde planten is er een dwingender reden: bescherming. Sommige waardevolle stoffen zitten in planten die traag groeien, moeilijk te kweken zijn, of waarvan de oogst de plant beschadigt of doodt. Plantcelkweek maakt het mogelijk zulke stoffen te maken zonder de plant zelf te hoeven oogsten.
Ook kwaliteit en zuiverheid spelen mee: in een bioreactor is er geen risico op verontreiniging met pesticiden, zware metalen of verkeerd geïdentificeerde plantensoorten, iets wat bij wildgeoogste of veldgeteelde planten wél kan voorkomen. De samenstelling van een celkweek is bovendien constanter dan die van een gewas dat van oogst tot oogst verschilt door weer en bodem.
Daarnaast hopen voorstanders op milieuwinst: minder landgebruik, minder ontbossing (bijvoorbeeld voor cacao of palmolie), minder waterverbruik en minder transport. Plantcelkweek wordt in dat opzicht vaak in één adem genoemd met celgekweekt vlees, als onderdeel van de bredere beweging cellandbouw (cellular agriculture) — al gaat het om een ander celtype (plantaardig in plaats van dierlijk) en vaak ook om andere toepassingen en een andere mate van volwassenheid.
Voorbeelden uit de praktijk
Paclitaxel (Taxol), een veelgebruikt kankermedicijn, werd van oudsher gewonnen uit de bast van de taxusboom, wat de traagroeiende boom bedreigde. Sinds het begin van deze eeuw wordt een deel van de wereldwijde productie via plantcelfermentatie in bioreactoren gemaakt, met bedrijven als Phyton Biotech als bekende speler in dat veld, waardoor minder bomen hoeven te worden geoogst.
Ginseng- en shikoninecelkweek in Japan: al in de jaren tachtig van de vorige eeuw behoorden Japanse bedrijven tot de eersten die plantcelkweek industrieel toepasten, onder meer voor ginseng-extract in gezondheidsproducten en voor shikonine, een rode kleur- en wondgenezende stof uit de wortel van de purpertong (Lithospermum erythrorhizon). Dit toont dat de technologie op zich al veertig jaar bestaat.
Appel-stamcellen in cosmetica: het Zwitserse bedrijf Mibelle Biochemistry brengt sinds 2008 een cosmetisch ingrediënt op de markt op basis van celcultuur van een zeldzame Zwitserse appelsoort, de Uttwiler Spätlauber. Het extract wordt aangeprezen om vermeende antioxidatieve eigenschappen en zit in tal van gezichtscrèmes.
Celgekweekte koffie: het Finse onderzoeksinstituut VTT presenteerde rond 2021 koffie geproduceerd uit plantcelkweek van koffieplanten: biomassa uit een bioreactor die na roosteren aroma's ontwikkelt die aan koffie doen denken. Het gaat vooralsnog om een laboratoriumresultaat, geen product in de winkel.
Celgekweekte cacao: het Amerikaanse start-up California Cultured, opgericht rond 2020 in Davis (Californië), probeert cacao-achtige grondstoffen te maken via celkweek van cacaoplanten, met als argument minder ontbossing en minder afhankelijkheid van de kwetsbare cacaoketen. Ook dit bevindt zich nog in de opschalingsfase.
Hoe ver is de techniek?
Het beeld is tweeledig. Voor de productie van hoogwaardige, dure stoffen zoals medicijnen, kleurstoffen en cosmetica-ingrediënten is plantcelkweek allang geen toekomstmuziek: die toepassingen draaien al decennia op industriële schaal, omdat een relatief kleine opbrengst per liter kweek al rendabel kan zijn — een gram paclitaxel is immers veel geld waard.
Voor de productie van grote hoeveelheden voedsel, zoals cacao of koffie, ligt dat anders. Die toepassingen zijn voor het grootste deel nog experimenteel en kleinschalig. Het belangrijkste knelpunt: cellen in een bioreactor maken vaak veel minder van de gewenste stof aan dan gespecialiseerd weefsel in een echte plant (denk aan harskanalen of kliercellen), en opschalen naar tonnen kost nog altijd meer dan traditionele landbouw. Ook moeten smaak en textuur dichter bij het origineel komen, en is in de EU en de VS voor voedseltoepassingen doorgaans een 'novel food'-goedkeuring nodig voordat een product in de winkel mag liggen.
Onderzoekers werken aan cellijnen die van nature meer van de gewenste stof maken, aan betere elicitatietechnieken en, in sommige gevallen, aan gerichte aanpassing van het celmetabolisme. Concrete doorbraken op voedselschaal zijn er tot dusver beperkt; het is een veld met veel beloften, maar met een tempo dat voorlopig eerder gestaag dan explosief te noemen is.
Wie werken eraan?
Op medicijn- en cosmeticagebied is de sector relatief volwassen. Phyton Biotech, met activiteiten in onder meer Duitsland en Nederland, behoort tot de bedrijven die plantcelkweek gebruiken voor de productie van paclitaxel en verwante stoffen. Mibelle Biochemistry (Zwitserland) en andere ingrediëntenmakers voor de cosmetica-industrie ontwikkelen celkweekextracten voor huidverzorging.
Op het gebied van voeding en cellandbouw zijn vooral onderzoeksinstituten en start-ups actief. VTT Technical Research Centre of Finland doet fundamenteel onderzoek naar celgekweekte voedingsingrediënten, waaronder koffie. In de Verenigde Staten richten start-ups als California Cultured zich op cacao. In Nederland doet Wageningen University & Research onderzoek naar plantcel- en weefselkweek, onder meer voor de productie van waardevolle plantenstoffen en voor plantenveredeling.
Landen die relatief vooroplopen zijn Japan (met een industriële traditie sinds de jaren tachtig), Zwitserland en Duitsland (farmacie en cosmetica), Finland (cellandbouw-onderzoek) en de Verenigde Staten (start-ups). Nederland speelt vooral een rol via onderzoek en via productiefaciliteiten van internationale bedrijven.