LESMODULE: Mariene biotechnologie

Zee-apotheek

Zee-apotheek

_{De paarse zee-egel (Strongylocentrotus purpuratus) staat genetisch verrassend dicht bij de mens en is aldus een interessante modelsoort in de mariene biotechnologie (c) NOAA}

De farmaceutische industrie haalt steeds meer bruikbare moleculen uit de oceaan. Daarmee kan ze ziekten die bij de mens voorkomen, gaande van diabetes, kanker, Parkinson, spierziekten, blindheid tot onvruchtbaarheid bestrijden. Tot de uitgebreid geteste en goedgekeurde medicijnen hoort bv. Prialt®. Deze pijnstiller bevat ziconotide, dat uit het sterke gif (conotoxine) van de vleesetende kegelslak werd geïsoleerd. Ook andere zeeslakken bezitten waardevolle neurotoxines (stoffen die op het zenuwstelsel inwerken) die chronische pijn kunnen verdoven.

Naast organismen met nuttige eigenschappen zijn er ook modelsoorten met een genoom dat verrassend veel op dat van de mens gelijkt en die als proefdier kunnen ingezet worden. Neem bv. de paarse zee-egel, ondanks zijn eenvoudige voorkomen hebben ze een heel arsenaal aan speciale eiwitten die ziekten opsporen en giftige chemicaliën afweren. Wij hebben deze eiwitten ook, maar in een kleiner aantal. Onderzoek naar hun immuunsysteem kan tot nieuwe doorbraken leiden in de geneeskunde.

In het kankeronderzoek blijkt o.a. de kwal veelbelovend te zijn. Extracten uit de kwal Cotylorhiza tuberculata kunnen kankercellen vergiftigen. Ook sponzen hebben bijzondere eigenschappen. Er bestaan zo’n 7000 soorten sponzen in zee. Velen onder hen geven giftige stoffen af om vijanden op een veilige afstand te houden en om lichaamsvreemde bacteriën en schimmels te bestrijden. Bij maar liefst tien procent van de geteste sponzen blijken deze bioactieve stoffen ook geschikt te zijn voor medische toepassingen. Helaas is het zo dat sponzen en ook andere zeedieren moeilijk te kweken zijn. Dat is een van de redenen waarom de ontwikkeling van de meeste medicijnen in de testfase blijft hangen.  

_{Acyclovir is de synthetische versie in het middel Zovirax ® van de werkzame stof spongothymidine, gewonnen uit de Caribische spons (Tectitethya crypta), een actieve virusremmer die de vermenigvuldiging van het koortslipvirus (Herpes simplex) en zona of waterpokken bij volwassenen bestrijdt.}

Cosmetica

Cosmetica

_{Luxueuze gezichtscrème met zeewierextracten.  © La Mer}

Dromen van de eeuwige jeugd is zo oud als de mensheid. High end cosmeticaproducten op basis van zee-extracten beloven een jonge en frisse huid. Een label dat verwijst naar de zee, wekt vertrouwen op. Geen wonder dat er zoveel patenten worden genomen op biomoleculen uit de zee.

Bij de ontwikkeling van gelaatsverzorging maken fabrikanten grotendeels gebruik van zeewier. De stoffen in zeewier beschermen de huid, ze hydrateren en verbeteren de elasticiteit. Kijk maar eens hoe stevig en vochtrijk de structuur van zeewier is. Ze zijn ook rijk aan mineralen. De aquacultuur van macrowieren staat al goed op punt. Om de rijke celinhoud van algen vrij te maken, worden algen eerst drie weken gedroogd en daarna fijngemalen. Zo scheuren de celwanden open. Na de rehydratatiefase (herbevochtigen) blijft een mix van chemische elementen (natrium, kalium, magnesium en calcium maar ook sporenelementen zoals jodium, zink, koper, mangaan en ijzer) over om te verwerken in allerhande producten.

Squalaan is een ander vaak voorkomend bestanddeel van huidcrèmes. Deze olieachtige vloeistof geeft een zijdezacht gevoel aan een crème. In principe kun je een gelijkaardige stof extraheren uit plantaardige bronnen zoals olijfolie, maar het is veel goedkoper en gemakkelijker om ze uit de lever van diepzeehaaien te winnen, ook al zijn deze dieren met uitsterven bedreigd. Squalaan kan goed tegen oxidatie. Daarom is ze ook voor andere toepassingen geschikt zoals het gebruik ervan in vetoplosbare medicijnen, in smeerolie en in kunststoffen.

_{Haaienlever is zeer rijk aan squalaan, een stof die o.a. de huid reguleert en weefsel herstelt.}

Voedings-supplementen

Voedingssupplementen

_{Eieren verrijkt met omega-3 zijn een ware rage.  © Albert Hein}

Wie gezond wil zijn, krijgt het advies om regelmatig vette vis of zeewier te eten. Heb je echter tekorten of vraagt je lichaam meer dan je voeding kan voorzien, kun je beroep doen op de grote markt aan voedingssupplementen. Onder de populaire supplementen rekenen we de omega-3 vetzuren, verkregen uit vette vis (zoals ansjovis, zalm, haring, …) of krill (een piepklein schaaldiertje uit de polaire zeegebieden waar walvissen gek op zijn). Naar het nut van omega-3 vetzuren, waaronder EPA (eicosapentaeenzuur) en DHA (docosahexaeenzuur) gebeurde veel onderzoek. Deze lange vetzuurketens zouden bijdragen tot een goede werking van het hart en de hersenen, zouden beschermen tegen ontstekingen, de kans op kanker verkleinen, goed zijn voor de groei van de ongeboren baby, enzovoort. De wereldwijde vraag is dan ook groot, te groot voor het visbestand in zee. Er is dus nood aan alternatieve bronnen. Een daarvan zijn de microalgen (eencellige wiertjes) die van nature omega-3 vetzuren aanmaken. Vissen hebben trouwens enkel omega-3 vetzuren omdat ze microalgen eten. Naast microalgen kunnen we ook vette vissoorten zoals de zalm kweken. Naar duurzaamheid toe scoort de nog vettere en op de markt gebrachte Belgische omegabaars beter dan de zalm, gezien deze niet gevoed wordt met vismeel en visolie. 

Een ander voedzaam zee-organisme voor de supplementenmarkt is kelp. Kelp is een verzamelnaam van verschillende bruinwieren waaronder het Japanse zeewier Kombu behoort. Kombu is zeer rijk aan jodium wat de werking van onze schildklier ondersteunt. Dat er in Japan opvallend minder mensen sterven aan kanker, wordt volgens een grootschalige studie geassocieerd met een hoge inname van jodium verkregen uit kelp en andere zeewiersoorten.

_{Aquacultuur van een groot bruin zeewier die tot de kelp familie behoort genaamd Alaria esculenta in de Bay of Fundy (Canada). © Thierry Chopin}

Voedings-additieven

Voedingsadditieven

_{Uit Iers mos (Chondrus crispus) winnen we carrageen. De polysachariden van dit roodwier zorgen voor stevigheid en houden veel water vast. © Seaweed.ie}

Levensmiddelen uit de supermarkt bevatten bijna zo goed als allemaal additieven, de zogenoemde E-nummers. We voegen allerlei hulpstoffen aan onze voeding toe om deze te kleuren, meer smaak te geven, de zuurtegraad op peil te houden of de groei van micro-organismen tegen te houden. Het bekendste conserveringsmiddel is natuurlijk zout. Zout verlaagt het vochtgehalte in voeding en dat is dikke pech voor bacteriën die voldoende vocht nodig hebben om zich te vermenigvuldigen.

Uit zeewier winnen we carrageen (E407) en agar agar (E406). Carrageen is een verdikkingsmiddel en stabilisator voor voedingsmiddelen met een verhoogde viscositeit (stroperigheid) zoals chocolademelk, salade dressings, ijs en tandpasta. Het wordt ook gebruikt als gellering in snoep, charcuterie en hamburgers wat een positief effect heeft op de snijdbaarheid. Carrageen lijkt sterk op agar agar. Agar agar is een vegetarisch alternatief voor gelatine in bv. confituur en pudding. Een ander verdikkingsmiddel uit zeewier is natriumalginaat (E401). Deze stof vinden we ook terug in het geneesmiddel Gaviscon dat de maag beschermt.

Onder de smaakmakers rekenen we het uit gefermenteerd zeewier geëxtraheerde mononatriumglutamaat (E621). Deze stof, ook gekend als Ve-tsin, geeft de speciale umami smaak aan Oosterse gerechten. E621 is waarschijnlijk het meest omstreden E-nummer. Het stimuleert de smaakpapillen waardoor je zin heb om er veel van te eten, net zoals het eten van een zakje chips. En je smaakpapillen geraken er zo aan gewend dat alles wat niet gekruid is met Ve-tsin flauw gaat smaken.

_{Maak gezonde fruitsnoepjes met agar agar.}

_{Kook 150 ml fruitsap en 200 gram fruit. Voeg al roerend 5 gram agar agar toe en laat meekoken. Als het fruit zacht is geworden, mix je het geheel en het is klaar om in siliconenvormpjes te gieten. Laat opstijven in de koelkast. Smakelijk © Tinneke Seys}

Energie uit zeeorganismen

Energie uit zeeorganismen

_{In fotobioreactoren kunnen algen op gecontroleerde wijze aan fotosynthese doen. © IGV Biotech}

Al duizenden jaren werken we met micro-organismen om voeding te maken. Nu we beter begrijpen hoe micro-organismen functioneren, kunnen we ze inzetten in geheel nieuwe processen zoals de productie van biobrandstoffen. Een veelbelovende ontwikkeling is het maken van biodiesel of –gas uit mariene algen. Uit algen kan in theorie tweemaal zoveel brandstof per hectare gehaald worden als uit suikerriet, en zelfs vijfmaal zoveel als uit maïs. De microalgen groeien ook snel in vergelijking met andere 'gewassen'. Noch zijn er bij de productie traditionele meststoffen of is er drinkwater nodig. Biogas verkrijgen we door methaanproducerende bacteriën samen met algen in een afgesloten tank te plaatsen. De bacteriën breken de organische moleculen dan af tot methaangas en koolstofdioxide. De grondstof voor biodiesel bestaat uit lipiden (soort vetten) die veelvuldig in algen voorkomen. Er bestaan verschillende productiesystemen voor het maken van biodiesel. De ene heeft al meer plaats, energie, water en/of nutriënten nodig dan de andere. Willen we een waardig alternatief voor benzine op de markt brengen, dan hebben we grootschalige, efficiënte, goedkope en duurzame productiesystemen van algen nodig.

De meest recente mogelijkheid voor de productie van energie uit mariene organismen is een baanbrekend Belgisch/Nederlands onderzoek naar mariene bacteriën die zich gedragen als een elektrochemische batterij. De bacteriën zijn 100x dunner dan een haar, en vormen een langgerekte spaghettistreng van duizenden cellen. Deze bacteriën zijn geen curiosum maar komen wereldwijd voor en hebben de kunst van het produceren van elektriciteit al eeuwen onder de knie. Het is de eerste keer dat een degelijke biologische batterij in de natuur is aangetroffen. Wie weet draait een smartphone binnen 10 jaar wel op minuscule geleidende zeebacteriedraadjes…

_{De pas ontdekte bacteriën (Desulfobulbaceae) bieden perspectief voor de ontwikkeling van nieuwe bio-elektrische systemen. Wanneer elektroden in het sediment worden geplaatst, gaat er een rood LED lampje knipperen. Dit betekent dat de bacteriën in het sediment elektriciteit opwekken en als een microbiële brandstofcel werken. © Sarah Engelhard, NIOZ}

Nano-biotechnologie

Nanobiotechnologie

_{Fluorescerende eiwitten worden in de moleculaire biologie gebruikt om andere eiwitten te labelen. Het groene licht is goed zichtbaar onder een fluorescentiemicroscoop.(c) pnas}

In de nanobiotechnologie halen we materialen uit natuurlijke bronnen in de grootteorde van nanometers (een miljardste van een meter). Er zijn tal van voorbeelden te noemen waarbij de zee een bron van nanomaterialen vormt. De volgende zijn getest en goedgekeurd.

In DNA-onderzoek werken wetenschappers met fluorescerende eiwitten om na te gaan waar in de cel zich bv. een bepaald eiwit bevindt. Men doet daarbij beroep op een groen fluorescerend eiwit (GFP-eiwit), dat groen oplicht als er licht opvalt. Het GFP-eiwit komt in zee voor bij sommige kwalsoorten. De ontdekking en extractie van het GFP-eiwit uit de kwal Aequorea victoria leverde in 2008 de Nobelprijs voor de Scheikunde op. Voordien maakten onderzoekers gebruik van radioactieve labeling.

Om even bij de kwallen te blijven, de tentakels van kwallen staan model voor het ontwikkelen van minuscule langgerekte DNA-ketens die, bevestigd aan een microchip, in de bloedstroom kankercellen kunnen vangen, net als de behendige tentakels van een kwal. 

Een ander voorbeeld is de mossel die over een berucht verlijmingsapparaat beschikt. Als de mossel zich wil vasthechten, schuift zij haar voet naar buiten en geeft minuscule kleine bolletjes kleefstof af. Met gemodificeerde mosselkleefstoffen kunnen zelfs gebroken mensenbotten tot vaatwasbestendig servies weer worden verlijmd.

_{De lijm die de blauwe mossel (Mytilus edulis) gebruikt om zich vast te hechten aan een rotsige ondergrond, is zeer geschikt voor het vastlijmen van menselijke breuken. Ze werkt prima in een vochtige omgeving en is meteen ook biologisch afbreekbaar. © Michael O'Donnell}

Industrie en landbouw

Industrie en landbouw

_{Historische bronnen getuigen al van het bemesten van akkers met zeewier sinds de 16e eeuw. Vandaag hoeven we zelf geen zeewier meer te oogsten. We kopen zeewier als gedroogde, geurloze korrels. Zo smaken onze aardappelen meteen een pak beter.  © Duncan Gray}

Waar kan de zee ons nog van nut zijn? In landbouw, tuinbouw tot op grasvelden en golfbanen maakt men gebruik van allerhande zeesoorten (kelp, blaaswier, knotswier,  visolie derivaten, afval van garnalen, krabben, kreeften en sinds kort ook micro-algen uit zee) om te bemesten, de bodem te verbeteren en gewassen tegen insecten te beschermen. Uit mariene bronnen kunnen bovendien stoffen worden geïsoleerd met potentiële toepassing als bio-pesticide, denk maar aan toxines uit algen of insecticiden uit het gif van weekdieren.

In de verpakkingsindustrie kijkt men hoopvol uit naar de eerste rendabele bioplastics op basis van mariene grondstoffen. Voorlopig kan een biologisch afbreekbaar polymeer PHA verkregen worden uit de blauwalg Chlorogloea fritschinni. Maar het proces is vrij duur, waardoor het commercieel succes (nog even) uitblijft.  

De olie-industrie experimenteert volop om het winnen van ruwe olie te optimaliseren. Er zou meer olie uit de reservoirs kunnen gehaald worden door de bacteriële groei , die er van nature aanwezig is, te stimuleren met biopolymeren en andere stoffen uit de zee. Ze noemen dit microbial enhanced oil recovery.

Sommige mariene micro-organismen vergemakkelijken ook de afbraak van ruwe olie. Bij het schoonmaken van het milieu, wat we bioremediatie noemen, bewijzen mariene microben alvast hun nut!

_{Mariene bacteriën zoals de Alcanivorax borkumensis spelen van nature een belangrijke rol in de afbraak van olie onderwater. Wanneer ze gevoed worden met extra nutriënten, kunnen ze ingezet worden om grote oliepakken die accidentieel in zee terecht gekomen zijn deels op te ruimen. © Terry Hazen}

Uitdagingen

Uitdagingen

_{Weinig bedrijven hebben apparatuur om plaatsen in de diepzee zoals ‘black smokers’ te verkennen en er voldoende stoffen te oogsten om deze op grote schaal te commercialiseren.© Chris German, Woods Hole Oceanographic Institution}

Mariene biotechnologie is nog een vrij jonge sector. Veel bioactieve stoffen uit zee bevinden zich nog volop in de testfase. Tussen het ontdekken van een interessante molecule en de verkoop op de markt, zit gemiddeld 15 à 20 jaar. Dit komt voor een deel omdat kennis delen moeilijk gaat. Het aantal patenten steeg van 220 in 2006 naar 400 in 2010. Onderzoekers dienen vaak van nul te beginnen.

De grootste uitdaging is het kostenefficiënt produceren. Zowel het ontdekken als oogsten van moleculen uit zeeorganismen is peperduur. Ook al zijn de nieuwe generatie sequencing-technologieën goedkoper en sneller dan de klassieke PCR-methode, blijft de vraag groot naar het nog sneller ontrafelen van een grote hoeveelheid DNA. Daarboven, van slechts een aantal van de gevonden organismen kent men de volledige levenscyclus. Het mariene milieu is moeilijk na te bootsen in een laboratorium. De kweek van mariene organismen staat nog in haar kinderschoenen. Soorten uit extreme milieus domesticeren is al helemaal gecompliceerd. Het blijkt ook moeilijk om voldoende hoeveelheden van de bruikbare componenten te kunnen isoleren. Zeeorganismen komen vaak slechts op bepaalde (verafgelegen) plaatsen voor en maken heel kleine hoeveelheden bioactieve stoffen aan. Om 1 gram te extraheren is er bij sommigen maar liefst 1 ton van het organisme nodig! Daarnaast zorgen individuele verschillen in de genetische code voor moeilijkheden bij de extractie. Om het grote potentieel van de oceaan dus te benutten, ligt de toekomst beslist in het synthetiseren of kunstmatig kopiëren van haar rijkdommen. Ondanks de vele uitdagingen die de mariene biotechnologiesector nog ondervindt, staat het buiten kijf dat ze heel wat kan bijdragen aan een meer groene en duurzame samenleving.

_{Marien biotechnologisch onderzoek duurt lang en is zeer (kapitaals)intensief. © UC San Diego}

Ecosysteem-diensten

Het nieuwe leerplan Aardrijkskunde-Natuurwetenschappen 3e graad TSO-KSO Vrij Onderwijs voegde het thema 'Ecosysteemdiensten van de oceaan' toe aan het curriculum.

Planeet Zee liet in 2017 drie onderzoekers aan het woord. Hun PP's kunnen alvast hier geraadpleegd worden. Ook kunt u hier een algemene presentatie over ecosysteemdiensten downloaden met in de nota's verschillende links naar meer informatie.

Download PP 'Ecosysteemdiensten van de oceaan'  

door dr. Jan Seys, VLIZ

Download PP 'Zuurstofcyclus' 

over fotosynthese, fytoplankton en hun nut, productie zuurstof, waar in de oceaan en waarom daar?

door dr. Mieke Sterken, VLIZ

Download PP 'Energie en grondstoffen'  

over nieuwe platentektoniek, grondstoffen en fossiele brandstoffen, geopolitiek van continentale randen, zeelandia en exploratietechnieken.

door dr. David Van Rooij, vakgroep Geologie, RCMG, Universiteit Gent

Download PP 'Grondstoffen uit de oceaan'  

over mineralisatie en erstafzettingen, ertsvormende processen en grondstoffen uit de oceaan voor groene technologieën.

door dr. Stijn Dewaele, vakgroep Geologie, Universiteit Gent