In het metabolic engineering-veld staat Sang Yup Lee al jaren bekend als iemand die doorlopen de grenzen verlegt. Zijn lab aan het Korea Advanced Institute for Science and Technology (KAIST), waar Lee vice-president research en hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie is, staat bekend vanwege de lange lijst aan stoffen die ze via fermentatie weten te produceren. Lee is ervan overtuigd metabolic engineering van grote waarde is voor de maatschappij in brede zin. ‘In mijn lezing zal ik laten zien hoe metabolic engineering van micro-organismen kan bijdragen aan het ontwikkelen van oplossingen om klimaatverandering tegen te gaan en om de gezondheid van de verouderende bevolking te verbeteren. Ik zal ook de tools en benaderingen presenteren die wij op een systeemniveau toepassen om allerlei stoffen te produceren, van bulkchemicaliën, monomeren en polymeren tot fijnchemicaliën en natuurstoffen.’ 

Kleurstoffen en spinzijde

Bij deze natuurstoffen gaat het om kleur-, geur- en smaakstoffen; belangrijke ingrediënten voor een scala aan voedings- en cosmetische producten. Momenteel worden die stoffen vooral uit planten gewonnen, maar dat impliceert ook grootschalig landgebruik. Lee: ‘Precisiefermentatie maakt het mogelijk om deze stoffen op een meer duurzame manier te verkrijgen.’ Voor veel verbindingen is het echt nog een flinke klus om ze via fermentatie te produceren. ‘Neem bijvoorbeeld karmijnzuur, een veelgebruikte rode kleurstof die nu uit schildluizen wordt gewonnen’, zegt Lee. ‘Het was tot voor kort heel ingewikkeld om dit via fermentatie te maken, maar dankzij een nieuwe aanpak in onze groep zijn we er nu als eerste in geslaagd om karmijnzuur in micro-organismen te produceren.’  

En karmijnzuur is slecht een van de vele ‘moeilijke’ moleculen op de lange lijst van producten die het Lee-lab heeft weten te produceren via fermentatie. Een andere indrukwekkende prestatie was de productie van ultra high molecular weight spinzijde eiwitten. Lee: ‘Cellen haten deze glycine- en alanine-rijke eiwitten, maar het is ons gelukt om de cellen zo aan te passen dat ze er wel mee om kunnen gaan. Dit laat zien dat veel onmogelijk-geachte stoffen toch zo te produceren zijn.’  

Bovendien is de lijst met mogelijkheden niet beperkt tot natuurlijk voorkomende stoffen, aldus Lee. ‘We kunnen zelfs quantum dots, nanomagneten en nanostaafjes laten maken voor micro-organismen. Door inzet van een detoxificatie-mechanisme zijn de cellen in staat om metaalionen te verzamelen en gebruiken om er iets nieuws van te maken.’ 

PET uit glucose?

Dat roept de vraag op of er echt geen grenzen zijn aan wat je met metabolic engineering kunt bereiken. ‘Er zijn twee antwoorden mogelijk op die vraag’, aldus Lee. ‘Het optimistische antwoord is dat we alles kunnen maken, als we maar eindeloos de tijd hebben. Maar als we een meer realistisch tijdpad meenemen, dat moet ik toegeven dat nog niet alles mogelijk is. Een voorbeeld is PET, polyethyleentereftalaat. Tot dusver is het nog niet gelukt om dat volledig via fermentatie te maken. Maar als je paraxyleen als startpunt neemt, lukt het al wel. En omdat je paraxyleen uit lignocellulose-houdende biomassa kunt verkrijgen, is het dus mogelijk om PET, via een hybride proces, uit biobased grondstoffen te maken. Het ultieme doel echter is om PET direct vanuit glucose te produceren, maar dat is nog een flinke uitdaging.’  

Volgens Lee is er in ieder geval nog genoeg te doen en te winnen met metabolic engineering. ‘De toekomst ligt in het verder integreren van systeembiologie, synthetische biologie en wat we evolutionary engineering noemen. We zullen leven nooit tot in alle details begrijpen, maar als ingenieurs gebruiken we steeds weer datgene wat we tot nu toe wel weten.’