Tienduizenden jaren lang vertrouwde de mens op de natuur voor alles wat hij nodig had om het zich comfortabeler te maken. Ze weefden kleding en stoffen van wol, katoen of zijde, en verfden die met kleuren afkomstig van planten en dieren. Bomen leverden het materiaal voor de bouw van huizen, meubels en toebehoren. Maar dit veranderde allemaal in de eerste helft van de twintigste eeuw, toen de organische scheikunde methoden ontwikkelde om veel van deze producten uit olie te maken. Van olie afgeleide synthetische polymeren, gekleurd met kunstmatige kleurstoffen, vervingen spoedig de natuurlijke vezels in kleding en stoffen. Kunststoffen vervingen in hoog tempo hout en metalen in veel gebruiksvoorwerpen, gebouwen en meubilair. De biologie staat echter op het punt wraak te nemen op deze synthetische, op aardolie gebaseerde consumptiegoederen. Strengere milieuvoorschriften en de groeiende massa van niet-afbreekbare kunststoffen op stortplaatsen hebben biologisch afbreekbare producten weer aantrekkelijk gemaakt. De groeiende bezorgdheid over de afhankelijkheid van geïmporteerde olie, vooral in de VS, en het besef dat de olievoorraden in de wereld niet onbeperkt zijn, zijn bijkomende factoren die de chemische en biotechnologische industrie ertoe aanzetten de rijkdom van de natuur te verkennen op zoek naar methoden om synthetische olieproducten te vervangen.

Een hele tak van de biotechnologie, bekend als “witte biotechnologie”, is hieraan gewijd. Hierbij worden levende cellen – van gist, schimmels, bacteriën en planten – en enzymen gebruikt om producten te synthetiseren die gemakkelijk afbreekbaar zijn, minder energie vergen en bij hun productie minder afval veroorzaken. Dit is geen recente ontwikkeling: in feite levert de biotechnologie al geruime tijd een bijdrage aan industriële processen. Al tientallen jaren worden bacteriële enzymen op grote schaal gebruikt bij de productie van levensmiddelen en als actieve ingrediënten in waspoeder om de hoeveelheid kunstmatige oppervlakteactieve stoffen te verminderen. Transgene Escherichiacoli worden gebruikt om menselijke insuline te produceren in grootschalige fermentatietanks en het eerste rationeel ontworpen enzym, dat in detergenten wordt gebruikt om vet af te breken, werd reeds in 1988 geïntroduceerd. De voordelen van de exploitatie van natuurlijke processen en producten zijn talrijk: zij zijn niet afhankelijk van fossiele hulpbronnen, zijn energie-efficiënter en hun substraten en afval zijn biologisch afbreekbaar, wat allemaal bijdraagt tot de vermindering van hun milieueffect. Door gebruik te maken van alternatieve substraten en energiebronnen heeft de witte biotechnologie al voor veel innovaties gezorgd in de chemische industrie, de textielindustrie, de levensmiddelenindustrie, de verpakkingsindustrie en de gezondheidszorg. Het is dan ook geen verrassing dat academici, de industrie en beleidsmakers steeds meer belangstelling hebben voor deze nieuwe technologie, de economie ervan en de bijdrage die zij levert tot een gezond milieu, waardoor zij een geloofwaardige methode voor duurzame ontwikkeling zou kunnen worden.

Een van de eerste doelstellingen op de agenda van de witte biotechnologie was de productie van biologisch afbreekbare kunststoffen. In de afgelopen 20 jaar zijn deze inspanningen vooral gericht geweest op polyesters van 3-hydroxyzuren (PHA’s), die van nature door een groot aantal bacteriën worden gesynthetiseerd als energiereserve en koolstofbron. Deze verbindingen hebben eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van synthetische thermoplastics en elastomeren van propyleen tot rubber, maar worden volledig en snel afgebroken door bacteriën in bodem of water. De meest voorkomende PHA is poly(3-hydroxy-butyraat) (PHB), dat bacteriën synthetiseren uit acetyl-CoA.Groeiend op glucose, kan de bacterie Ralstonia eutropha tot 85% van zijn drooggewicht aan PHB vergaren, wat van dit micro-organisme een miniatuur bioplastic-fabriek maakt.

Een belangrijke beperking voor de commercialisering van dergelijke bacteriële kunststoffen is altijd hun kostprijs geweest, aangezien zij 5-10 keer duurder te produceren zijn dan op aardolie gebaseerde polymeren. Er is dan ook veel moeite gedaan om de productiekosten te verlagen door betere bacteriestammen te ontwikkelen, maar onlangs is een potentieel economischer en milieuvriendelijker alternatief opgedoken, namelijk de modificatie van planten om PHA’s te synthetiseren. Een kleine hoeveelheid PHB werd

gemaakt in Arabidopsisthaliana na de introductie van R. eutropha-genen die coderen voor twee enzymen die essentieel zijn voor de omzetting van acetyl-CoA in PHB (Poirier et al., 1992). Monsanto (St Louis, MO, USA) heeft dit proces vervolgens in 1999 verbeterd. Hoewel deze nieuwe golf polymeren een enorm potentieel heeft, is de timing van de ontwikkeling ervan onzeker. Na aanvankelijk enthousiasme hebben Monsanto en AstraZeneca (Londen, VK) deze projecten stopgezet uit kostenoverwegingen. “De productie van biopolymeren uit planten is een veelbelovende en fascinerende wetenschappelijke uitdaging”, aldus Yves Poirier van het laboratorium voor plantenbiotechnologie van het Instituut voor Ecologie van de Universiteit van Lausanne, Zwitserland. Hij denkt dat de bedrijven terughoudend zijn om deze projecten uit te voeren omdat zij investeringen op lange termijn vergen die niet beantwoorden aan de financiële en tijdschema’s van de bedrijven. “Er moeten nog meer genetische modificaties in de planten worden aangebracht om ze te verbeteren,” zei hij, “en als deze planten eenmaal zijn gemaakt, vereisen ze specifieke oogst- en behandelingsprotocollen, in vergelijking met gewone planten. Dit alles leidt tot zware investeringen in nieuwe infrastructuur en verwerkingssystemen en tot een aanzienlijke hoeveelheid tijd”. Acht tot tien jaar is zijn ruwe schatting van hoe lang het zal duren voordat in planten geproduceerde PHA’s economisch levensvatbaar zouden kunnen worden.

De plannen om een T-shirt te vervaardigen uit maïssuiker zijn in eenzelfde impasse geraakt. Dupont (Wilmington, DE, VS), het bedrijf dat nylon heeft uitgevonden, is al jaren bezig met de ontwikkeling van een polymeer op basis van 1,3-propaandiol (PDO), met nieuwe prestaties, veerkracht en zachtheid. In de polymerisatiefabriek van Dupont in Decatur, Illinois (VS), die een milieuverantwoordelijke dimensie aan de produktie toevoegt, is men er thans in geslaagd PDO te vervaardigen uit maïssuiker, een hernieuwbare hulpbron. Maar hoewel hun polymeer op basis van maïs, Sorona® genaamd, milieuvriendelijker is en betere eigenschappen heeft, is het opnieuw aan de markten om er een succes van te maken. “Het bedrijf is van plan effectief over te schakelen van de productie op basis van aardolie naar die op basis van bio,” aldus Ian Hudson, Business Director Sorona® bij Dupont, “maar dit zal gebeuren als het economische proces en de vraag van de markt de overgang rechtvaardigen.”

Cargill Dow (Minnetonka, MN, VS) is nog een stap verder gegaan. Het bedrijf heeft een innovatief biopolymeer ontwikkeld, NatureWorks™, dat kan worden gebruikt voor de vervaardiging van artikelen als kleding, verpakkingen en kantoormeubilair. Het polymeer is afgeleid van melkzuur, dat wordt verkregen uit de fermentatie van maïssuiker. Het is reeds daadwerkelijk op de markt gebracht en is onlangs in Amerikaanse kruidenierswinkels verschenen als verpakking voor biologisch voedsel.

Een ander produkt dat veel baat zou kunnen hebben bij innovatieve biotechnologie is papier. Een groot deel van de kosten en de aanzienlijke vervuiling in verband met het papierproductieproces wordt veroorzaakt door “krafting”, een methode om lignine uit het houtsubstraat te verwijderen. Lignine is na cellulose het meest voorkomende polymeer in de natuur en zorgt voor de structurele stabiliteit van planten. Met het oog op de aanzienlijke economische voordelen die kunnen worden behaald, is veel onderzoek verricht naar het verminderen van de hoeveelheid lignine of het wijzigen van de ligninestructuur in bomen, waarbij hun groei en structurele integriteit behouden blijven. Genetisch gemodificeerde bomen met deze eigenschappen bestaan al (Hu et al.,1999; Chabannes et al., 2001;Li et al., 2003), maar er zal waarschijnlijk niet snel geld mee worden verdiend. Hoewel de papierindustrie een aanzienlijke winst zou kunnen boeken door de productiekosten te verlagen, zijn er nog geen grote projecten in die richting ondernomen. Alain Boudet, professor aan het Centrum voor plantaardige biotechnologie van de Universiteit Paul Sabatier (Castanet-Tolosan, Frankrijk), heeft twee grote hinderpalen voor de commercialisering van transgeen hout opgespoord. “In de eerste plaats moeten bomen met veranderde lignine buiten het laboratorium meer tests ondergaan om te zien hoe ze in het veld presteren voordat ze op grote schaal kunnen worden gebruikt”, legde hij uit. “Ten tweede, en dat is veel moeilijker, zal het nodig zijn de acceptatie van het publiek voor nog nieuwe transgene organismen en voor de distributie van daarvan afgeleide produkten te veroveren.”

Witte biotechnologie concentreert zich ook op de produktie van energie uit hernieuwbare hulpbronnen en biomassa’s. Zetmeel uit maïs, aardappelen, suikerriet en tarwe wordt reeds gebruikt voor de produktie van ethanol als vervangingsmiddel voor benzine – de eerste auto van Henry Ford reed op ethanol. Vandaag bestaat een deel van de in Brazilië verkochte motorbrandstof uit zuivere ethanol op basis van suikerriet, en de rest heeft een ethanolgehalte van 20%. In de VS is 10% van alle verkochte motorbrandstof een mengsel van 90% benzine en 10% ethanol. Volgens het rapport van 2001 van de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling over biotechnologie en industriële duurzaamheid hebben de VS nu 58 brandstoffabrieken, die bijna 6 miljard liter ethanol per jaar produceren.

Maar het omzetten van zetmeel in ethanol is noch de meest milieuvriendelijke noch de meest economische methode, omdat bij het verbouwen van planten voor de ethanolproductie onkruidverdelgers, bestrijdingsmiddelen, kunstmest, irrigatie en machines moeten worden gebruikt. Bedrijven zoals Novozymes (Bagsvaerd, Denemarken), Genencor (PaloAlto, CA, VS) en Maxygen (Redwood City, CA, VS) onderzoeken daarom de mogelijkheden om ethanol te winnen uit cellulosehoudend materiaal in hout, grassen en, aantrekkelijker nog, landbouwafval. Veel van hun inspanningen zijn gericht op het ontwikkelen van effectievere bacteriële cellulases die landbouwafval kunnen afbreken tot eenvoudige suikers om een overvloediger en goedkoper ruw substraat te creëren voor de productie van ethanol.

Hoopvolle visionairs zijn al begonnen te praten over een ‘koolhydraateconomie’ die de oude ‘koolwaterstofeconomie’ vervangt. Maar “van biomassa een effectieve grondstof maken is geen goedkoop proces”, herinnert KirstenStær, directeur Stakeholdercommunicatie bij Novozymes, zich. Om de productie van biobrandstof op commerciële basis op gang te krijgen, naast de ontwikkeling van nieuwe systemen voor de inzameling van grondstoffen en de oprichting van speciale productiefaciliteiten, zal een andere prijsstelling voor biobrandstof nodig zijn, merkte zij op. “De prijsstructuur voor fossiele brandstoffen is op de markt vastgelegd door regelgevingskaders. Om de produktie van biobrandstoffen tot een succes te maken, zal een beleid moeten worden gevoerd dat bijvoorbeeld de produktie van bio-ethanol subsidieert of de produktie van fossiele brandstoffen belast,” aldus Stær.

Dit heeft J. Craig Venter er niet van weerhouden vorig jaar het Institute for Biological Energy Alternatives (IBEA) in Rockville, Maryland (VS) op te richten om te pleiten voor de produktie van schonere vormen van energie. IBEA heeft onlangs een subsidie van 3 miljoen US dollar ontvangen van het US Department of Energy, hoofdzakelijk om een kunstmatig micro-organisme te ontwikkelen dat waterstof kan produceren. Ontdaan van de genen voor de vorming van suiker die normaal waterstofionen gebruiken, zou dit organisme al zijn energie kunnen wijden aan de produktie van overtollige waterstof en, idealiter, een synthetische energieproducent kunnen worden.

De biotechnologie van het wit kan ook ten goede komen aan de geneeskunde en de landbouw. VitamineB2 (riboflavine), bijvoorbeeld, wordt op grote schaal gebruikt in diervoeder, menselijke voeding en cosmetica

en wordt van oudsher vervaardigd in een chemisch proces van zes stappen. Bij BASF (Ludwigshafen, Duitsland) wordt nu meer dan 1.000 ton vitamine B2 per jaar geproduceerd in één fermentatie. Met de schimmel Ashbya gossypii als biokatalysator realiseerde BASF een totale vermindering van de kosten en de milieu-impact met 40%. Evenzo wordt cefalexine, een antibioticum dat werkzaam is tegen Gram-negatieve bacteriën en dat normaal wordt geproduceerd in een langdurige chemische synthese van tien stappen, nu geproduceerd in een korter, op fermentatie gebaseerd proces bij DSM Life Sciences Products (Heerlen, Nederland). Vitamine B2 is echter slechts één succesverhaal – andere vitaminen en geneesmiddelen zijn nog steeds goedkoper te produceren met klassieke organische chemie dan met innovatieve witte biotechnologie.

Niettemin zijn de potentiële milieuvoordelen van een verschuiving naar biologische grondstoffen en bioprocessen aanzienlijk, denkt Wolfgang Jenseit van het Instituut voor Toegepaste Ecologie (Freiburg, Duitsland). “De nieuwe bioproductieprocessen vervangen complexe chemische reacties. Dat betekent natuurlijk een aanzienlijke energie- en waterbesparing”, legt hij uit. Ook de atmosfeer vaart er wel bij: de koolstof die nodig is om bio-ethanol uit biomassa te maken, wordt door planten uit de atmosfeer vastgehouden, zodat de terugstorting ervan door verbranding van ethanol niet bijdraagt tot de opwarming van de aarde, aldus Jenseit. Dit is zeker goed nieuws voor de landen die zich ertoe verbonden hebben de uitstoot van broeikasgassen te beperken door het Kyotoverdrag te ratificeren.

En de economische voordelen zullen naar verwachting volgen. Volgens het wereldwijde adviesbureau McKinsey & Company zal de witte biotechnologie in 2010 10-20% van de totale chemische markt in beslag nemen, met jaarlijkse groeicijfers van 11-22 miljard euro. Er bestaan echter grote verschillen in de manier waarop witte biotechnologie in Europa en de VS wordt beheerd, aldus Jens Riese, een in Frankfurt gevestigde hoofdmedewerker bij McKinsey & Company. “Ten eerste bedraagt het totale bedrag dat in de VS in witte biotechnologie wordt geïnvesteerd 250 miljoen dollar, een bedrag dat veel hoger ligt dan de totale Europese investering,” zei hij. “Waarschijnlijk gedreven door een sterkere geopolitieke wil om onafhankelijk te worden van de invoer van fossiele brandstoffen, hebben de VS een grotere geneigdheid getoond in de ontwikkeling van dergelijke technologieën. Europa daarentegen is cultureel voorzichtiger en minder avontuurlijk in het aanvaarden van innovatieve methodologieën.”

Maar witte biotechnologie heeft de belangstelling getrokken in Europa. “Men is zich bewust van de behoefte aan innovatie in deze richting,” aldus Oliver Wolf, wetenschappelijk medewerker aan het Instituut voor Technologische Prognose in Sevilla, Spanje. “Hoewel er nog geen specifieke wetgeving bestaat, worden er belangrijke stappen gezet in de richting van de bevordering van witte biotechnologie in Europa”. Witte biotechnologie heeft potentieel grote voordelen, zowel uit economisch als uit milieuoogpunt, voor een breed scala van toepassingen. De weg voor de ontwikkeling ervan wordt geëffend, maar het blijft een relatief jonge technologie die moet concurreren met een rijpe chemische industrie op oliebasis die bijna een eeuw de tijd heeft gehad om haar methoden en produktieprocessen te optimaliseren. Niettemin maken de groeiende bezorgdheid over het milieu en de mogelijkheid van goedkopere olie in de toekomst de witte biotechnologie tot een serieuze mededinger.