Is het mogelijk gewassen te kweken in het donker? Wetenschappers proberen manieren te vinden.

Uit experimenten blijkt dat het misschien ooit mogelijk wordt om planten van voedsel te voorzien zonder fotosynthese. Dat zou kunnen bijdragen aan de voedselvoorziening voor astronauten en een dichtbevolkte planeet.

Door Madeleine Stone
Gepubliceerd 8 aug. 2022 10:06 CEST
Kleine koolzaadplantjes kunnen acetaat opnemen, een eenvoudige koolstofverbinding die onderzoekers met behulp van zonne-energie wisten te ...

Kleine koolzaadplantjes kunnen acetaat opnemen, een eenvoudige koolstofverbinding die onderzoekers met behulp van zonne-energie wisten te maken van CO2 en water. Maar tot nu toe kunnen alleen algen, edelgist en schimmels op dergelijk acetaat groeien, zonder licht of fotosynthese – en op een efficiëntere manier.

Foto door Marcus Harland-Dunaway

In sciencefictionverhalen leven mensen in ondergrondse steden op Mars, in uitgeholde planetoïden of in rondzwevende ruimtestations op grote afstand van de zon. Maar willen ze ooit in dat soort verre oorden onder zware omstandigheden overleven, dan moeten ze manieren vinden om voedsel te verbouwen met zeer beperkte middelen. Fotosynthese, het uiterst succesvolle maar energieslurpende proces waarbij planten zonlicht omzetten in suiker, volstaat dan waarschijnlijk niet. 

Er zijn inmiddels wetenschappers die zich afvragen of het mogelijk is om op een efficiëntere manier voedsel te verbouwen, zonder gebruik te maken van fotosynthese, en om planten in het donker te laten groeien. 

Dat klinkt al bijna net zo buitenaards als een stad op Mars. Maar een onderzoeksteam heeft daarvoor een eerste stap gezet met een onderzoek waarover in juni een artikel verscheen in Nature Food. Uit de studie blijkt dat het mogelijk is om in het donker algen, eetbare gist en paddenstoelproducerende schimmels te kweken, door deze te voeden met acetaat, een koolstofhoudende verbinding. Deze stof was echter niet afkomstig van planten, maar werd gemaakt met behulp van zonne-energie. De wetenschappers hopen dat door deze techniek, een soort ‘kunstmatige fotosynthese’, nieuwe vormen van voedselproductie mogelijk worden. Daarvoor is dan minder ruimte en energie nodig dan voor de traditionele landbouw. Gewassen die in het donker kunnen worden gekweekt zijn daar een voorbeeld van. 

Hoewel andere deskundigen betwijfelen of het mogelijk is om de biologische processen van planten zo drastisch om te gooien, zijn ze wel enthousiast over de technologische vindingen van de onderzoekers, en over het creatieve idee om de voedselproductie efficiënter te maken. 

‘We moeten op zoek naar manieren om planten op een efficiëntere manier te kweken,’ stelt een van de onderzoekers, Feng Jiao, die zich specialiseert in chemische en biomoleculaire techniek aan de University of Delaware. ‘Wat de beste oplossing is? Volgens mij is een van de mooie dingen van de wetenschap nou juist dat we alle mogelijkheden onderzoeken.’ 

Efficiënter dan de natuur 

Met uitzondering van enkele extreme omgevingen, zoals in warmwaterbronnen in de diepzee (waarin levensvormen voorkomen die zich voeden met de chemische energie van waterstofsulfide die uit scheuren in de zeebodem borrelt), is de zon de voedingsbron voor al het leven op aarde. Zelfs apexroofdieren als tijgers en haaien maken deel uit van complexe voedselwebben waarvan planten de basis vormen, en in de zeeën piepkleine groene algen. Deze primaire producenten, zoals ze worden genoemd, beschikken over een biologische superkracht: ze zijn in staat om via fotosynthese organische koolstof te maken uit CO2. Dit biochemische proces vindt plaats onder invloed van zonlicht. 

De onderzoekers ontdekten dat verschillende soorten paddenstoelproducerende schimmels (het witte spul op deze foto’s) konden groeien met acecaat uit de op zonne-energie werkende electrolyzer als hun enige bron van koolstof en energie. Normaal zijn deze schimmels afhankelijk van organisch koolstof dat wordt geproduceerd door planten die gebruikmaken van fotosynthese. 

Foto door Robert Jinkerson

Fotosynthese staat aan de basis van het leven zoals wij dat kennen, maar het is niet erg efficiënt: slechts ongeveer één procent van het zonlicht dat op planten valt, wordt daadwerkelijk opgenomen en gebruikt om organische koolstof te maken. Deze inefficiëntie gaat een probleem opleveren als mensen zichzelf ooit willen redden in de ruimte. Dan is het van cruciaal belang om voedsel te verbouwen met zo min mogelijk middelen. 

En ook nu al vormt het een probleem met het toenemen van de wereldbevolking, waardoor boeren steeds meer calorieën uit dezelfde hoeveelheid grond moeten zien te persen. 

Er zijn wetenschappers die denken dat het genetisch aanpassen van gewassen een oplossing is om tot efficiëntere fotosynthese te komen. De oplossing die de auteurs van het nieuwe artikel voorstellen is ongebruikelijker: zij opperen de biologische fotosynthese te vervangen door een deels kunstmatig proces om zonlicht in voedsel om te zetten. Het proces dat zij daarvoor gebruiken is een soort kunstmatige fotosynthese. Deze term is al jaren in omloop en omvat verschillende methoden om zonlicht, water en CO2 om te zetten in vloeibare brandstoffen en chemische stoffen als formiaat, methanol en waterstof. Volgens de onderzoekers is de nieuwe studie de eerste keer dat een methode voor kunstmatige fotosynthese wordt gekoppeld aan een poging om gewone, voedselproducerende organismen te kweken. 

Hun techniek is gebaseerd op elektrolyse, waarbij door middel van een elektrische stroom chemische reacties in gang worden gezet in een zogenaamde ‘electrolyzer’. De onderzoekers ontwierpen een electrolyzersysteem op basis van zonne-energie met twee stappen, waarbij CO2 en water wordt omgezet in zuurstof en acetaat, een eenvoudige, koolstofhoudende verbinding. 

Vervolgens gebruikten de wetenschappers dit acetaat als voedsel voor Chlamydomonas reinhardtii, een groene algensoort die wel gebruikmaakt van fotosynthese. Ze gebruikten het acetaat daarnaast ook als voedsel voor edelgist en paddenstoelproducerende schimmels. Hierin vindt normaalgesproken geen fotosynthese plaats; deze organismen hebben door planten gemaakt organisch koolstof nodig om te groeien. 

Een algensoort genaamd Chlamydomonas, die normaal zonlicht nodig heeft voor fotosynthese, bleek goed in het donker te groeien. De algen kleurden een maatkolf met acetaat erin groen (rechts). De controlemaatkolf (links) bevatte geen acetaat.

Foto door Elizabeth Hann

Al deze organismen bleken in staat om het acetaat op te nemen en in het donker te groeien – zonder gebruik te maken van zonlicht of via fotosynthese ontstaan koolstof. 

Het proces was verbazingwekkend efficiënt vergeleken met fotosynthese. De groene algen konden met behulp van kunstmatige fotosynthese de zonne-energie vier keer zo efficiënt omzetten als gewassen die gebruikmaken van biologische fotosynthese. De gist die met behulp van dit proces werd gekweekt, was bijna achttien keer zo energiezuinig als andere gewassen. 

‘Dit is een van de belangrijkste voordelen van kunstmatige methoden ten opzichte van de natuurlijke methoden,’ aldus Jiao. 

Gewassen telen in het donker? 

Wetenschappers wisten al dat de algensoort C. reinhardtii met behulp van acetaat in het donker kan groeien. Het organisme is een zogenaamde mixotroof, wat betekent dat het zowel zijn eigen voedsel kan maken door middel van fotosynthese als zich kan voeden met het organische koolstof van andere planten. Maar volgens een van de hoofdonderzoekers, Robert Jinkerson van de University of California in Riverside, was dit de eerste keer dat C. reinhardtii werd gekweekt met behulp van acetaat dat niet afkomstig was van recente fotosynthese of van aardolieproducten (wat de fossiele resten zijn van fotosynthese in het verleden). Dat is een belangrijk gegeven. 

‘Dit is de eerste keer sinds het ontstaan van fotosynthetische organismen dat een dergelijk organisme, zoals een alg of een plant, groeide zonder gebruik te maken van fotosynthese,’ aldus Jinkerson. ‘De processen waren volledig losgekoppeld.’ 

Nadat ze erin waren geslaagd algen te kweken, richtten de onderzoekers zich op een ingewikkelder vraagstuk: zou het ze ook lukken gewassen te kweken? 

Acetaat is goed voor slaplantjes – maar slechts tot een bepaalde hoeveelheid. De plantjes hebben nog steeds zonlicht nodig om te groeien. De ontwikkeling van gewassen die in het donker kunnen groeien blijft een grote uitdaging waar mogelijk genetische aanpassingen voor nodig zijn.

Foto door Marcus Harland-Dunaway

De eerste resultaten waren veelbelovend. De onderzoekers wisten weefsel van slaplantjes te laten groeien in een vloeibare suspensie met acetaat. Daaruit bleek dat dit gewas een extern toegediende bron van koolstof kan opnemen en verwerken. 

Toen ze volledige slaplanten in het licht lieten groeien (en rijst, koolzaad, tomaten en verschillende andere gewassen) met acetaat als supplement, ontdekten ze dat de planten het acetaat opnemen in het weefsel. Acetaat dat was gemarkeerd met koolstof-13, een zware isotoop van koolstof, kon worden teruggevonden in de aminozuren en suikers van de planten. Dit duidt erop dat deze de stof kunnen gebruiken bij verschillende stofwisselingsprocessen. 

Maar uit het onderzoek bleek niet dat hele planten alleen op acetaat kunnen groeien, zonder zonlicht. Sterker, uit de experimenten van de onderzoekers met slaplanten bleek dat een teveel aan acetaat de groei van de planten belemmert. Jinkerson vertelt dat er in zijn laboratorium inmiddels wordt gewerkt aan de genetische aanpassing en het kweken van planten die beter tegen acetaat bestand zijn. Dat is noodzakelijk wil de methode met de kunstmatige fotosynthese van het team wezenlijk bijdragen aan het kweken van planten en het produceren van voedsel. 

Emma Kovak, een analist op het gebied van voedsel en landbouw bij het Breakthrough Institute stelt dat de resultaten van de onderzoekers ‘een eerste stap zijn voor een mogelijke toepassing van acetaat als voeding bij de binnenproductie van planten.’ Mogelijk zou dit de hoeveelheid energie beperken die nodig zijn voor binnenkwekerijen, als de kwekers hierdoor minder licht nodig hebben. Maar ‘er moet nog enorme vooruitgang worden geboekt,’ voordat planten met behulp van acetaat fors groeien onder omstandigheden met weinig licht, aldus Kovak. 

Evan Groover, die zich voor zijn promotieonderzoek op het gebied van kunstmatige biologie aan de University of California in Berkeley richt op de genetische aanpassing van planten voor een betere fotosynthese, is het met haar eens. Uit het onderzoek ‘blijkt dat planten acetaat kunnen opnemen, maar dat bewijst nog niet dat dit echt goed voor ze is, of dat ze daarmee voedsel, brandstof of geneesmiddelen kunnen maken,’ aldus Groover. Om dat laatste voor elkaar te krijgen, zou een ‘volledige herprogrammering van planten’ nodig zijn, stelt hij. 

Tegelijkertijd vindt Groover het onderzoek ‘opwindend.’ 

‘Het toont aan dat er manieren zijn waarop we mogelijk aan licht en koolstof kunnen komen in vreemde, niet-aardse omgevingen, of omgevingen waar traditionele landbouw niet mogelijk is,’ stelt hij. 

Voedsel voor in de ruimte 

De techniek van de onderzoekers zal mogelijk voor het eerst worden toegepast in een buitenaardse omgeving. De onderzoekers dienden hun concept voor kunstmatige fotosynthese in voor de Deep Space Food Challenge van NASA. Hierbij kunnen onderzoeksgroepen met innovatieve ideeën voor het voeden van astronauten tijdens toekomstige ruimtemissies prijzengeld en erkenning verdienen. Afgelopen najaar werd het concept van het team uitgeroepen tot een van de achttien Amerikaanse fase 1-winnaars. In fase 2 wordt van deze teams gevraagd om een prototype te bouwen dat daadwerkelijk voedsel produceert. De winnaars worden volgend jaar bekendgemaakt

Het winnen van de competitie is geen garantie dat de nieuwe voedselproductiemethode ook daadwerkelijk tijdens een toekomstige ruimtemissie wordt toegepast. Daarvoor moeten nog allerlei technische details worden uitgezocht, vertelt Lynn Rothschild, senioronderzoeker bij het Ames Research Center van NASA, die niet betrokken was bij het onderzoek. Gewicht is een belangrijke factor – en voor kunstmatige fotosynthese zou waarschijnlijk nieuwe apparatuur mee de ruimte in moeten, zoals electrolyzers en extra zonnepanelen. 

Maar volgens Rothschild is het van belang om open te blijven staan voor de aanpassing van een essentieel biologisch proces als fotosynthese en de toepassing daarvan in de ruimte of op aarde. ‘Mogelijk levert het iets op waar we nog nooit aan gedacht hadden.’ 

Jinkerson says his lab is currently working on genetically engineering and breeding plants to be more tolerant to acetate. That will be necessary for the team’s artificial photosynthesis method to support plant growth and food production in a significant way.

Emma Kovak, a food and agriculture analyst at the Breakthrough Institute, says the authors’ results represent a “first step toward potentially using acetate to help feed plants for indoor production.” That could reduce the energy needed to run indoor farms if it allows growers to reduce indoor light levels. But “massive progress would be necessary,” Kovak says, to enable plants to grow robustly using acetate even under low-light conditions.

Evan Groover, a PhD candidate in synthetic biology at the University of California, Berkeley, whose research focuses on genetically engineering plants to improve photosynthesis, agreesThe study “shows plants can uptake acetate, but that isn’t evidence of them being able to really thrive on that or meaningfully synthesize food, fuel, or medicine,” Groover says. Accomplishing the latter, he says, would require “completely reprogramming plants.”

At the same time, Groover says he found the authors’ paper “exhilarating.”

“It shows us ways in which we might be able to capture light and carbon in strange, non-terrestrial environments, or environments where you can’t do traditional farming,” he says.

Food for deep space

An extraterrestrial environment might be where the researchers’ technology is first applied. The researchers submitted their artificial photosynthesis concept to NASA’s Deep Space Food Challenge, which awards prize money and recognition to groups with innovative ideas for feeding astronauts on long-term space missions. Last fall, the team’s concept was named one of 18 U.S.-based Phase 1 winners. In Phase 2, those teams are required to build a prototype that actually produces food. Winners will be announced next year.

Winning the competition is no guarantee that a novel food production tech will be flown on a future space mission. Many technical details would need to be worked out first, says Lynn Rothschild, a senior research scientist at NASA’s Ames Research Center who wasn’t involved with the new study. Weight is a key consideration—and artificial photosynthesis would likely require hauling new equipment, including additional solar panels and electrolyzers, into space.

But Rothschild says it’s worth keeping an open mind about how any efforts to redesign a fundamental biological process like photosynthesis could be applied, in space or on Earth: “The payoff may be something we haven’t imagined yet.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com.

Lees meer

Dit vindt u misschien ook interessant

Wetenschap
5 verrassende toepassingen waarmee hennep de planeet helpt
Milieu
Wat een reusachtig lelieblad ons kan leren over gebouwontwerpen
Milieu
Kweken van grootste en meest stinkende bloem is herculestaak
Milieu
Bizar mangrovebos biedt inzicht in toekomstige zeespiegelstijging
Milieu
Waarom ‘minibossen’ opduiken in grote steden

Ontdek Nat Geo

  • Dieren
  • Milieu
  • Geschiedenis en Cultuur
  • Wetenschap
  • Reizen
  • Fotografie
  • Ruimte
  • Video

Over ons

Abonnement

  • Abonneren
  • Schrijf je in
  • Shop
  • Disney+

Volg ons

Copyright © 1996-2015 National Geographic Society. Copyright © 2015-2021 National Geographic Partners, LLC. Alle rechten voorbehouden.