Halen we binnenkort onze geurstoffen uit de darmflora van kevers?

* Foto boven: Volwassen kever van de soort Pachnoda sinuata flaviventris, onze ‘labrat’, waarop we het meeste onderzoek doen. Deze kever komt oorspronkelijk uit Afrika, maar is in het lab gemakkelijk te kweken. De familie waar deze soort bij hoort bestaat uit meer dan 30.000 soorten kevers, waarvan de meesten ten minste een deel van hun leven plantmateriaal eten.

Voorzichtig leg ik de roerloze, nog half bevroren keverlarve op mijn dissectiebordje. Deze larve is in drie maanden tijd uitgegroeid van een klein eitje tot een larve zo groot als mijn pink. In die tijd heeft die zich gevoed met beukenhout en bladeren die ik destijds zelf heb verzameld in het nabijgelegen bos. Ik pak mijn schaartje en begin vanaf de achterkant, over de rug heen, het bleke velletje open te knippen. Gelijk wordt het onderwerp van mijn onderzoek zichtbaar: het darmstelsel, dat als een donkerbruine massa vrijwel de gehele binnenkant van de larve vult.

Van biomassa tot biobased chemicaliën

Kevers die zich voeden met hout, zijn gewoonlijk geen graag geziene gasten door de schade die enkele van deze keversoorten kunnen aanrichten. In mijn onderzoek ben ik juist geïnteresseerd in deze beestjes, omdat ze de houtvezel waarop ze leven om kunnen zetten in waardevolle stoffen voor de mens!

De land- en bosbouw produceren behoorlijk wat houtafval. Denk bijvoorbeeld aan wortelstronken en snoei- of oogstafval. In Europa is dit een reststroom van ongeveer één miljard ton droog materiaal per jaar. Deze lignocellulose biomassa¹ wordt vaak verbrand voor het opwekken van energie, of verwerkt tot biobrandstof. Toch zit er meer potentie in deze biomassa dan enkel brandstof: vooral de lignine die hierin aanwezig is, is een belangrijke bron voor de productie van verschillende biobased chemicaliën², die de industrie kan gebruiken voor de productie van bijvoorbeeld verf, coatings, lijm, bioplastics, cosmetica, medicijnen, of geur- en smaakstoffen.

Het bestuderen van het microbioom van houtetende keverlarven, en het kweken ervan in bioreactoren, kan bijdragen aan de ontwikkeling van methoden om uit plantaardig materiaal biobased chemicaliën te produceren. (Created with BioRender.com)

Door lignocellulose biomassa te verwarmen en bepaalde chemische stoffen toe te voegen, zijn we steeds beter in staat om deze biomassa om te zetten in algemene chemicaliën of biomaterialen. Toch blijft de omzetting naar specifieke chemicaliën lastig. Daarom kijken we meer en meer naar micro-organismen die ons hierbij kunnen helpen.

In de natuur zijn er namelijk verschillende dieren en insecten die wel raad weten met deze biomassa! Denk bijvoorbeeld aan herkauwers, zoals koeien of geiten, of insecten zoals termieten en kevers. Bij kevers zijn het vaak de larven die de lastig verteerbare houtvezel als lekker maaltje zien, en hieruit hun voedingsstoffen halen. De volwassen kevers daarentegen eten voornamelijk makkelijk verteerbare suikers. Dit kan je vaak ook terugzien in hun darmstelsel: een keverlarve bestaat bijna volledig uit darmen, terwijl bij een volwassen kever het darmstelsel is geslonken tot een dun sliertje.

Hoe ze dit hout verteren? Goede vraag. Kort gezegd zorgt de kever, of beter keverlarve, voor de juiste omstandigheden in de darm. Vervolgens nemen verschillende bacteriën in de darm de afbraak van houtvezel op zich, waarbij ze uiteindelijk voedingstoffen voor de kever produceren. Tijdens dit afbraakproces worden ook de moleculen geproduceerd die voor de mens interessant zijn. Maar hoe dit samenspel precíes werkt, dat weten we nog niet zo goed.

Door het microbioom van de kever te bestuderen, en daarna zo goed mogelijk na te bootsen in het lab, krijgen we grip op dit afbraakproces. Uiteindelijk hopen we op deze manier zelf (zonder kever) biobased chemicaliën uit houtvezel te kunnen produceren.

Een wereld van verschil

Terug naar mijn dissectiebordje: Terwijl ik de darm uit de larve probeer te halen, beginnen mijn handen te trillen en gaat het bijna fout. Ik bedenk me dat ik mijn kopje koffie deze ochtend misschien beter had kunnen laten staan. Voorzichtig nu, want als ik mis knip, begint de darm te lekken, en kan ik mijn experiment opnieuw beginnen. Het gaat goed: wanneer ik de darm uiteindelijk los heb weten te krijgen van het omringende vetweefsel, en uit de larve friemel, is goed te zien dat die uit twee delen bestaat. Deze zijn verbonden door een smalle doorgang van een paar millimeter lang. Aan weerszijden van die doorgang krioelt het in de darm van de micro-organismen, die het hout dat via de mond van de larve binnenkomt, via een aaneenschakeling van knip-stapjes, uiteindelijk omzetten in voedingsstoffen voor de kever – of in de moleculen waar wij geïnteresseerd in zijn.

Al die knip-stapjes worden uitgevoerd door verschillende enzymen (‘schaartjes’ die door de micro-organismen geproduceerd worden). En al die verschillende bacteriën hebben zo hun voorkeur voor een omgeving waarin ze die knip-stapjes het beste kunnen uitvoeren. Daarom bestaat de darm uit verschillende delen, met elk hun specifieke eigenschappen. Zo is het voorste gedeelte zuurstofrijk, met een hoge pH. Het achterste gedeelte is juist zuurstofarm, met een wat lagere pH, en een hoge concentratie waterstofgas. De omstandigheden die de kever in de darm creëert, bijvoorbeeld door rondom het voorste gedeelte van de darm buisjes (trachea, een soort longen) aan te leggen die zuurstof kunnen aanvoeren, zijn dus bepalend voor de microbiële gemeenschap die zich daar vestigt.

Op ontdekkingstocht door een onzichtbaar kleine wereld

Wanneer ik de darmdelen goed van elkaar kan onderscheiden, knip ik de smalle doorgang door. Ik zet mijn schaartje in de darmwand om die te openen, en laat vervolgens de inhoud van de twee darmdelen langzaam in aparte analysebuisjes glijden: klaar voor de verdere metingen die we gaan doen.

Larven van de Pachoda sinuata flaviventris groeien in ongeveer drie maanden van een eitje tot een larve van 4-5 cm lang. Hierna maken ze een pop, waar ze na enkele weken als volwassen kever uit tevoorschijn komen. Voor ons onderzoek zijn we vooral geïnteresseerd in de keverlarven, omdat die op hout leven.

We meten welke moleculen er in de verschillende darmdelen te vinden zijn, maar ook welke enzymen er actief zijn. Door naar het DNA van de microben te kijken, weten we ook welke soorten er aanwezig zijn, en welke bacterie welke enzymen heeft gemaakt. Hierdoor krijgen we een goed beeld van wie wat waar doet.

Na een paar maanden beginnen langzaam de resultaten binnen te komen van al onze metingen, en begint er een microbiële wereld open te gaan die we tot voor kort nog niet zo goed kenden. We beginnen bacteriën te herkennen die enkel in het eerste of tweede gedeelte van de darm voorkomen, we zien welke enzymen er aanwezig zijn die specifiek het ligninemolecuul kunnen knippen, wie die enzymen heeft gemaakt, en welke moleculen er door die enzymatische activiteit geproduceerd worden.

Bouwen maar!

Tegelijkertijd met dit experiment, hebben we met microsensoren onderzoek gedaan naar de precieze eigenschappen van de darm van onze keverlarven: wat is de pH in de darm? Wat voor een zuurstofconcentraties meten we? Is er waterstofgas aanwezig? Door kennis over de werking van het microbioom te  combineren met kennis over de omgeving waarin ze leven, samen met de invloed die al die darmbewoners op elkaar hebben, krijgen we een beeld van de omstandigheden waarin de microben het best functioneren. Hiermee kunnen we de ideale condities bepalen waarin ze de processen uitvoeren die voor ons interessant zijn.

Kortom, met deze kennis kunnen we beginnen aan de essentie van het onderzoek: het nabouwen van het microbioom van onze keverlarven in bioreactoren.

Door twee bioreactoren te bouwen, die elk zo veel mogelijk lijken op het eerste, dan wel tweede gedeelte van het darmstelsel, hopen we het hele darmsysteem van de keverlarven zo goed mogelijk in het lab na te kunnen bouwen. De bioreactoren zullen hun eigen specifieke condities krijgen, met bijvoorbeeld zuurstof voor het eerste darmdeel, en voor het tweede deel juist waterstofgas. Terwijl het microbioom groeit, kunnen we blijven monitoren hoe het zich ontwikkeld en hoe het reageert als we aan verschillende knoppen draaien. Op die manier willen we het afbraakproces richting de productie van specifieke biobased chemicaliën sturen.

Wordt vervolgd dus!

Noten

1. lignocellulose biomassa: Lignocellulose biomassa is al het hout of ander vezelhoudende plantaardige materiaal (denk aan bomen, struiken, grassen), dat is opgebouwd uit een mix van cellulose, hemicellulose en lignine. Cellulose en hemicellulose zijn koolhydraatpolymeren, wat wil zeggen dat ze bestaan uit ketens van suikermoleculen. Verweven in de hemicellulosestructuur zit de lignine, die planten hun stevigheid geeft. Lignine is ook een polymeer, maar is opgebouwd uit verschillende aromatische moleculen.

2. biobased chemicaliën: Veel chemicaliën die de industrie nodig heeft bestaan uit aromatische verbindingen en worden doorgaans geproduceerd uit fossiele brandstoffen. Biobased chemicaliën worden geproduceerd uit biomassa, en zijn dus een belangrijk alternatief in de transitie naar een duurzamere wereld. Aangezien de lignine in lignocellulose biomassa ook bestaat uit aromatische verbindingen, is dit een interessante bron voor de productie van deze biobased chemicaliën.