De Calvincyclus is een van de (nu) zeven cycli om kooldioxide en water om te zetten in biomoleculen (afb: 10voorbiologie.nl)

Ik gooi ze maar even op een hoop, deze twee ontwikkelingen, want in beide gevallen gaat het om het vastleggen van meer CO₂. Het ene onderzoek gaat om een kunstmatig fotosynthese-systeem, dat ontwikkeld is door Thomas Schwander van het Max Planck-instituut in Marburg (D). Het zou vijf keer effectiever zijn dan het natuurlijke proces. Het andere onderzoek gaat om het oppoken van de fotosynthese van een tabaksplant met 20% door onderzoekers uit Amerika. Daardoor wordt meer CO₂ omgezet in voor de plant (en mens) nuttige stoffen. De tabaksplant is als ‘proefkonijn’ gekozen omdat daar makkelijk mee te werken zou zijn, niet om zijn voedingswaarde. Of die twee processen veel kunnen doen aan het terugdringen van de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer, blijft nog wel de vraag (maar alle beetjes helpen).
We beginnen met het Amerikaanse onderzoek. De wetenschappers verhoogden de expressie (acitiviteit) van drie genen die een rol spelen bij het beschermen van de plant als die meer licht krijgt dan goed voor hem (haar?) is. Uit veldproeven bleek dat daardoor de opbrengst van de plant met 14 tot 20% werd verhoogd. “De tabaksplant is als voorbeeld gekozen omdat daarmee makkelijk te werken is, maar we werken nu ook aan rijst en andere voedingsgewassen”, zegt onderzoeker Krishna Niyogi van de universiteit van Californië in Berkeley. “De moleculaire processen die we veranderen zijn wezenlijk voor de fotosynthese. We denken dus dat dat ook bij andere planten werkt.”

In de fotosynthese gebruiken planten lichtenergie van de zon om kooldioxide en water om te zetten in biomoleculen. De mens gebruikt die vaardigheid van planten om voor zijn eigen energievoorziening te zorgen en voor andere zaken zoals textielvezels.
De fotosynthese in planten vindt plaats in de bladgroenkorrels. Te veel licht beschadigt die chloroplasten. Planten beschermen zich tegen die schade door een systeem dat wordt aangeduid nonfotochemisch temperen.
Niyogi: “Als er te veel zonlicht is dan lijkt dat net alsof de druk wordt opgebouwd. Het temperingssysteem wordt aangezet en de overmaat aan energie netjes afgevoerd. Bij schaduw wordt dat mechanisme uitgeschakeld, maar niet erg snel. Het lijkt net of er ergens nog een ventiel openstaat. De fotosynthese kan zo niet optimaal werken.”

Het lichtaanbod voor planten varieert nogal, vooral op dicht opeen geplante gewassen. Dat vereist veel ‘schakelwerk’ voor de planten, omdat die lichtval niet overal dezelfde is.

Opvoeren

De onderzoekers zochten een manier om die omschakeling te versnellen en lieten in het lab zien dat dat zou kunnen werken. Ze gebruikten daarbij een methode om snel de genexpressie van de plant te kunnen vaststellen. Door de expressie van de drie ’temperingsgenen’ te verhogen, bleek ook het omschakelen sneller te gaan en de opbrengst van de fotosynthese in de schaduw te zijn verhoogd.
Dat is niet onbelangrijk aangezien de helft van de daadwerkelijk omzetting van lichtenergie in biomoleculen gebeurt in de schaduw, stellen de onderzoekers. De drie genen die de Berkeley-onderzoekers hadden opgevoerd werden door plantkundigen van de universiteit van Ohio, waaronder de Nederlander Wanne Kromdijk, in een tabaksplant ‘gemonteerd’, om het resultaat in de kas en in veldproeven te repliceren. Grappig, vind ik, dat dit onderzoek, dat voor al bedoeld is om de voedselproductie te verhogen, is gefinancierd door Bill en Melinda Gates.

Onnatuurlijke fotosynthese

In Duitsland gebruikten ze helemaal geen planten, maar hebben de onderzoekers een onnatuurlijke fotosynthese in elkaar geknutseld. Om CO₂ om te zetten zijn verschillende enzymen nodig. Tot nu toe zijn er zes natuurlijke manieren bekend om dat voor elkaar te krijgen waarvan de Calvincyclus (ook wel donkerreactie genoemd) de bekendste is. Ribulose 1,5-bifosfaatcarboxylase/oxygenase, RuBisCO voor kort, is daarbij het belangrijkste enzym.
De (bio)chemie is echter niet gebonden wat de natuur tijdens de evolutie heeft bedacht. Er valt heel wat aan te sleutelen. Dat bewees Thomas Schwander en zijn medeonderzoekers door een niet-natuurlijke fotosynthese in elkaar te knutselen met zeventien enzymen, waarvan drie veranderde, die ze van negen verschillende organismes hadden geleend. Hun fotosynthese, die ze CETCH-cyclus hebben genoemd, is vijf keer effectiever dan de natuurlijke, stellen ze.

Dat is niet zo ingewikkeld. Het energetische rendement van de plantfotosynthese ligt ergens in de buurt van 1%. De onderzoekers denken dat er nog meer in het vat zit. Dat zou ook het inbouwen van die cyclus in planten kunnen zijn.

Bronnen: Science Daily, EurekAlert