Een team van onderzoekers van onderzoeksinstellingen in California, Japan en Taiwan haalde de cover van het toptijdschrift Science met hun ontdekking van een alg die zelf stikstof kan fixeren. Met co-auteur Bieke Vanslembrouck was er ook een Vlaamse inbreng in deze primeur. Wat maakt dit werk zo opzienbarend?
Innige samenwerking in de cel
U en ik danken, net als alle complexe meercellige organismen, ons bestaan aan endosymbiose. Endowat? Net zoals planten en schimmels zijn we eukaryoten. Dat wil zeggen dat het erfelijk materiaal (het DNA) in een celkern is vervat, en dat er daarnaast in de cellen ook gespecialiseerde structuurtjes aanwezig zijn met een specifieke taak. Deze structuurtjes worden organellen genoemd, naar analogie van de rol van organen op het niveau van het hele organisme. Sommige van die organellen zijn het resultaat van endosymbiose.
Alle eukaryoten hebben mitochondriën, organellen die gespecialiseerd zijn in het omzetten van de energie vervat in voeding naar energie die bruikbaar is voor allerhande processen in de cel. Deze energiefabriekjes bevatten hun eigen DNA en vermenigvuldigen op een manier die sterk doet denken aan de celdeling van bacteriën.
Dit deed biologe Lynn Margulis in de jaren zestig van vorige eeuw vermoeden dat die mitochondriën ontstaan zijn nadat een verre eencellige voorouder van ons zo’n 2 miljard jaar geleden een aerobe (zuurstofminnende) bacterie opnam zonder deze te verslinden. In de plaats daarvan werden de bacterie en de gastheercel partners die niet meer zonder elkaar kunnen, endosymbiose dus.
Iets later in de evolutionaire geschiedenis slaagden andere eukaryoten er ook nog in om zo’n endosymbiotische vennootschap aan te gaan met een bacterie die aan fotosynthese deed. Deze tweede fusie gaf aanleiding tot de chloroplast, het groene organel dat instaat voor fotosynthese in planten en algen.
Het artikel in Science maakt verslag van de ontdekking van een nieuw organel in de eencellige alg Braarudosphaera bigelowii. De onderzoekers zien nu voldoende aanwijzingen dat dit organel het resultaat is van endosymbiose van naar schatting 100 miljoen jaar oud. Dit toont aan dat deze vorm van innige samenwerking wel vaker optrad, zelfs relatief recent in de lange evolutionaire geschiedenis van het leven op aarde. Het ontdekte organel kreeg de naam nitroplast mee, stelt de alg in staat om zelf bruikbaar stikstof te maken.
Het belang van stikstoffixatie
Stikstof is als element onontbeerlijk voor al het leven op aarde. Zo zit het niet enkel in eiwitten, maar ook letterlijk in ons DNA. Aan stikstof is er op aarde geen gebrek, want bijna 80% van onze atmosfeer bestaat uit stikstofgas (N2). Dat stikstofgas is echter relatief inert en niet rechtstreeks bruikbaar voor organismen. Het moest eerst worden omgezet in een reactieve vorm. In de natuur gebeurt dat op een beperkt aantal manieren. Een belangrijke route is de stikstoffixatie door bacteriën. Bepaalde bacteriën zijn in staat om stikstofgas om te zetten naar gereduceerd stikstof in de vorm van ammonium (NH4+). Dit stikstof wordt vervolgens toegankelijk voor onder meer planten, die het nodig hebben om te groeien.
Sommige van die bacteriën leven in symbiose met bepaalde planten. De plantenfamilie van de vlinderbloemigen, waartoe een aantal belangrijke landbouwgewassen zoals soja, kikkererwt, bonen en klaver behoren, gaan zo’n samenwerking aan met de stikstoffixerende bacteriën van het geslacht Rhizobium. Die bacteriën leven in kleine knolletjes die aan de wortels van de plant hangen. In ruil voor suikers voorzien ze de plant van bruikbaar stikstof.
Dit bijzondere vermogen van vlinderbloemigen is al lang gekend bij landbouwers. Zo is het voor de bodemvruchtbaarheid gunstig om de teelt van granen af te wisselen met die van vlinderbloemigen, die extra stikstof in de bodem aanbrengen. De oude Maya’s pasten dan weer een mengteelt toe van pompoen, maïs en bonen, waarbij de laatste instonden voor stikstoffixatie.
Het belang van vlinderbloemigen voor de bodemvruchtbaarheid is wat in onbruik geraakt sinds de ontdekking van kunstmest door de Duitse chemici Fritz Haber en Carl Bosch in het begin van de twintigste eeuw. Hun Haber-Bosch proces voor de industriële productie van ammoniak stond feitelijk aan de basis van de enorme bevolkingsgroei in vorige eeuw, en is ook vandaag nog onmisbaar voor de wereldwijde voedselvoorziening. Toch zijn er wel wat nadelen aan dat proces: het is een energie-intensief proces, en het gemak waarmee we zelf reactief stikstof in de omloop brengen draagt bij aan hardnekkige milieuproblemen zoals eutrofiëring van waterlopen en vermestende stikstofneerslag in natuurgebieden.
Wat de alg Braarudosphaera bigelowii met haar nitroplast zo uniek maakt, is dat het de eerste eukaryoot is waarvan we weten dat ze zelf aan stikstoffixatie doet. Niet door een los samenwerkingsverband met bacteriën, maar door een daartoe gespecialiseerd organel, de nitroplast. Een alg die zelf haar meststof kan aanmaken dus. Beeld je in dat er landbouwgewassen bestaan die over deze superkracht zouden beschikken!
De heilige graal van de plantenbiotechnologie
Sinds we aan landbouw doet zo’n 12000 jaren geleden in het Nabije Oosten sleutelen we aan gewassen. Eerst door puur op het zicht het zaad te selecteren van de planten met de meest gewenste eigenschappen, maar sinds vorige eeuw ook met specifieke kennis van het DNA van de plant, en met biotechnologische technieken om gericht op dat DNA in te grijpen. Waar veel van die veredelingsinspanningen zich toespitsen op plaagresistentie, smaak of nutritionele eigenschappen, zijn er twee doelstellingen die je – met wat zin voor overdrijving – tot de heilige graal van de plantenbiotechnologie zou kunnen rekenen. De eerste gaat over het efficiënter maken van de fotosynthese zelf, door het enzym dat instaat voor het vastleggen van CO2, RuBisCO, efficiënter te maken.
Onder andere onderzoekers van de universiteit van Illinois slaagden er zo al in om tabaksplanten 40% sterker te laten groeien. De tweede uitdaging bestaat erin om niet-vlinderbloemige gewassen, zoals graangewassen (tarwe, gerst, rijst, maïs, gierst) stikstof te laten fixeren. Een mogelijke piste is om die graangewassen te laten samenwerken met bacteriën in de bodem, net zoals vlinderbloemigen dat doen.
De ontdekking van de nitroplast opent echter een nieuwe mogelijkheid, namelijk het creëren van gewassen die op eigen houtje kunnen instaan voor hun reactieve stikstof. Gemakkelijk zal dit wellicht niet zijn, want er komt wel meer bij kijken dan bijvoorbeeld precisie knip- en plakwerk in het DNA zoals dat met het CRISPR-cas9 systeem gebeurt. Met meercellige planten die net zoals Braarudosphaera bigelowii zelf aan stikstoffixatie doen begeven we ons veeleer op het terrein van de synthetische biologie, de tak van de biotechnologie die zich werpt op het (her)ontwerp van de cel zelf. Stikstoffixerende planten zijn dus waarschijnlijk niet voor de nabije toekomst.
Misschien kan het wel sneller in eencellige algen, wat ook perspectieven biedt. Algen kan je kweken in een gesloten en gecontroleerde omgeving, in tegenstelling tot gewassen op de akker. Algen komen bovendien meer aan meer in beeld als alternatieve eiwitbron voor menselijke voeding. Eiwitten bevatten veel stikstof. Als men erin slaagt om eencellige algen zoals Spirulina of Chlorella van een nitroplast te voorzien, zou dat een ongelofelijke efficiëntieboost kunnen betekenen voor het gebruik van algen in de eiwittransitie.
