Survival of the Fattest Onderstaand verhaal is als basis gebruikt voor een hoofdstuk in het Cahier over Algen van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (zie http://www.biomaatschappij.nl/product/algen/) Er zwemmen tienduizenden verschillende soorten algen rond op onze aardbol. Al die algen gedragen zich verschillend. Sommige algen groeien snel, anderen maken veel olie en een derde alg is goed bestand tegen natuurlijke vijanden die hem op willen eten. In het laboratorium of in de industrie is het daarom belangrijk om te kiezen welke soort alg je wilt gebruiken. Dit verklaart dat er veel onderzoek wordt gedaan om uit de tienduizenden natuurlijke soorten de beste kandidaten te vinden. Daarnaast wordt genetische modificatie toegepast om natuurlijke algen extra of betere eigenschappen te geven. Deze laatste methode is beschreven in de twee bovenstaande verhalen. Het doel van al dit onderzoek is hetzelfde: één soort alg te verkrijgen. Uiteindelijk gaat het erom dat de alg iets kan of doet, hij moet bijvoorbeeld de eigenschap hebben snel te groeien of olie te maken. Stel dat we olie willen produceren met een alg. Maakt het dan uit of dat door een Chlorella of Scenedesmus alg gebeurt? Dat doet er eigenlijk niet toe, zo lang de eigenschap 'olie productie' maar aanwezig is. En als we uiteindelijk geïnteresseerd zijn in een eigenschap, is het dan niet logischer om ons daar direct op te richten? Wij proberen daarom een bepaalde eigenschap te selecteren en niet een bepaalde algensoort. Een bepaalde alg kun je vangen door met een schepnet op stap te gaan, maar hoe kun je voor een bepaalde eigenschap selecteren? Op deze vraag geeft het boek Geobiologie: of inleiding tot de milieukunde van Baas Becking uit 1934 het antwoord. Op pagina 15 schrijft Baas Becking: alles is overal: maar het milieu selecteert. Dit klinkt nogal cryptisch, maar deze boodschap is precies wat we nodig hebben. Het eerste gedeelte van deze zienswijze vertelt ons dat alle eigenschappen overal vertegenwoordigd zijn, het tweede dat we door een selectief milieu voor één van die eigenschappen kunnen selecteren. Dit principe is op allerlei schalen en manieren toepasbaar. Hieronder volgt een voorbeeld om de manier van denken te illustreren. Stel dat alle dieren in Artis ontsnapt zijn en door elkaar heen lopen. De verzorgers willen graag de boel weer op orde hebben en besluiten het vangen van de dieren alfabetisch aan te pakken: eerst moeten de apen gevangen worden. In eerste instantie rennen de verzorgers met schepnetten achter de apen aan, maar die zijn natuurlijk niet voor één gat te vangen. Daarom slaat een verzorger het boek van Baas Becking open en besluit om de apen met een selectief milieu te gaan selecteren uit de grote groep dieren. Maar hoe doen ze dat? De verzorgers verstoppen een tros bananen in een hoge boom. Zo selecteren de verzorgers voor twee eigenschappen: goed kunnen klimmen en van bananen houden. De kans dat de verzorgers olifanten (houden wel van bananen, maar klimmen moeizaam in bomen) of leeuwen (kunnen wel klimmen, maar houden niet van bananen) in de bomen aantreffen is erg klein, aangezien het gecreëerde milieu selecteert voor alle twee de eigenschappen tegelijkertijd. In de microbiële dierentuin werkt het principe van Baas Becking nog beter. Omdat algen zich sneller vermenigvuldigen dan apen, vermeerderen de eigenschappen waarop geselecteerd wordt zich vlot in
een populatie. Op die manier kan een eigenschap die eerst amper zichtbaar was, snel overheersend worden in een groep. Terug naar de algen. Stel nu dat we graag een alg tjokvol met olie willen vinden. Die eigenschap is al ergens aanwezig, alles is immers overal. De vraag die we ons dus moeten stellen is: in wat voor milieu heeft zo n alg er zelf iets aan om vol olie te zitten? Olie is voor algen een koolstof- en energieopslag, zoals vet dat voor mensen is. In wat voor omstandigheden heb je hier iets aan? Er zijn allerlei milieus te bedenken waarin dit het geval is: energie en koolstof komen bijvoorbeeld goed van pas in lange donkerperiodes of als het koud is. Algen hebben echter ook energie en koolstof nodig voor celdeling en om voedingsstoffen (zoals fosfaat en stikstof) uit het water op te nemen. Dit gegeven nemen wij als uitgangspunt in ons onderzoek. Stel dat we de algen alleen in het donker voedingsstoffen geven, dan is de algensoort met veel olie spekkoper. Hij (of zij) heeft namelijk energie en koolstof tot zijn beschikking en kan in het donker, met de aanwezige voedingsstoffen, delen. Zijn buurman zonder olie kan slechts lijdzaam toekijken hoe de olie-alg zich vermenigvuldigt. Met deze kennis kunnen we voor de eigenschap olie productie gaan selecteren. We gaan naar de dichtstbijzijnde vijver en vullen een buisje met algen. Terug in het lab gooien we die in een reactor. Vervolgens geven we de algen overdag licht en CO 2. Dat is genoeg om olie te maken, maar de algen kunnen niet delen. Daar zijn nutriënten voor nodig en die geven we ze pas s avonds. Als gevolg daarvan kunnen alleen de dikke olie-algen delen omdat ze overdag energie en koolstof, in de vorm van olie, opgeslagen hebben. Omdat we elke dag een deel van de algen verwijderen, wordt de cultuur na een tijdje volledig overgenomen door olie-algen. Op die manier selecteert een milieu waarin alleen s nachts nutriënten aanwezig zijn voor algen die de eigenschap hebben om olie te maken. Klinkt leuk, maar werkt het ook? Ja en nee. Het principe werkt prachtig: aan het begin is er een hele dierentuin aan algen aanwezig en na verloop van tijd wordt het systeem een mono-cultuur. En maakt die alg dan ook olie? Dat helaas niet. De alg wordt wel dik, maar maakt geen olie. Algen maken namelijk, wederom net als mensen, niet alleen olie als energie- en koolstofopslag, maar ook zetmeel. En bovenstaand milieu is wel selectief voor het maken van opslag in het algemeen, maar niet specifiek voor het opslaan van olie of zetmeel. Daarvoor moet het milieu nog specifieker gemaakt worden. Daar zijn we hard mee bezig. Op dit moment vindt het merendeel van het onderzoek naar algen op laboratoriumschaal plaats. Het uiteindelijke doel is echter dat algen op grote schaal geteeld gaan worden. Wij zijn ervan overtuigd dat onze aanpak dan grote voordelen kan bieden. Een grote bedreiging voor een stabiele productie is namelijk contaminatie door andere algen. Natuurlijk voorkomende algen staan te dringen om de concurrentie aan te gaan met de alg die het in het laboratorium zo goed deed of die je zorgvuldig genetisch in elkaar hebt geknutseld. Het is goed mogelijk dat ongewenste algen deze concurrentieslag gaan winnen omdat ze bijvoorbeeld sneller groeien dan de gewenste olieproducerende algen. Een mogelijke oplossing is om met gesloten kweeksystemen te werken en door sterilisatie ervoor te zorgen dat buitenstaanders het systeem niet binnen kunnen dringen. Theoretisch gezien is dit mogelijk, maar op grote schaal is het praktisch onhaalbaar en erg kostbaar. Onze manier van werken is daarom meer geschikt voor algenproductie op grote schaal. Omdat wij niet voor een specifieke alg maar voor een eigenschap selecteren, zijn alle algen welkom in het systeem. Met een alg van buiten
kunnen namelijk twee dingen aan de hand zijn. Als de alg minder olie maakt dan de algen die al in het systeem zitten, heeft hij s avonds amper energie en koolstof om te delen. Hij verdwijnt weer uit het systeem omdat hij de concurrentieslag met de andere algen verliest. Als de alg meer olie kan produceren, neemt hij langzaam het systeem over. Daardoor verandert wel het type alg in het systeem, maar de eigenschap van olie maken verandert niet. Wij zijn ervan overtuigd dat het op grote schaal veel haalbaarder is om één eigenschap dan één alg in een systeem vast te houden. Om die reden zien wij een glorieuze toekomst voor onze 'Survival Of The Fattest' strategie. Baas Becking rookt een pijp en dekt diep na.
Pagina 15 uit Geobiologie: of inleiding tot de milieukunde van Baas Becking uit 1934
Ruim 100 jaar oude tekening van verschillende algen gemaakt door Beijerinck (1851 1931) Beijerinck was de eerste professor in de microbiologie in Delft en heeft veel fundamentele dingen over microorganismen ontdekt. Copyright: Delft School of Microbiology Archives aan de TUDelft.