“Mijn studenten stonden wat geschrokken in mijn kantoor. De bacteriën waar ze mee werkten, hadden ’s nachts een blauw-zwarte kleur gekregen”, vertelt Marco Fraaije, hoogleraar Moleculaire enzymologie in Groningen. “Dit soort onverwachte resultaten is wat werken met enzymen zo leuk maakt. Je zoekt in een bepaalde richting, maar enzymen zijn zo complex dat het resultaat niet altijd te voorspellen is. Door dit experiment zijn we de wereld van het textielverven binnengestapt. Ik houd daarvan, van zo’n nieuwe wereld leer je altijd veel.”

Wereld van kleurstoffen
Fraaijes eigen wereld is die van de enzymen, de gangmakers van tal van chemische reacties in biologische cellen. Zijn onderzoeksgroep manipuleert enzymen zo, dat ze te gebruiken zijn in de industrie. “We kunnen enzymen inschakelen voor de productie van grondstoffen voor medicijnen, of plastics. En dus ook voor de productie van kleurstoffen.”

De opvallende blauw-zwarte kleur van de bacteriën bleek indigo te zijn, de kleurstof voor spijkerstof. De studenten hadden een mutatie aangebracht in een oxiderend enzym, zodat het grotere moleculen zou kunnen bewerken. Die mutatie zorgde ervoor dat de bacterie, waarin het enzym werd geproduceerd, plots indigo ging maken. Fraaije: “Ik wist dat een klasse van ijzerhoudende enzymen indigo konden maken. Maar de studenten werkten met een type enzymen, waarvan we nog niet wisten dat dit kon.”

Mummieblauw
“Indigo is een eeuwenoude kleurstof, hij is ook bij mummies gevonden. Hij lost slecht op in water, waardoor hij niet zomaar uit je kleren wast”, vertelt Fraaije. Vroeger wonnen textielververs  het blauw uit planten. Vooral India stond bekend om zijn indigo, de naam verwijst naar het land.  Tegenwoordig wordt de kleurstof meestal synthetisch geproduceerd. De productie is vervuilend. Harde chemie met veel afvalproducten, zo omschrijft Fraaije het. Textielbedrijven die willen vergroenen zijn dan ook op zoek naar alternatieve productiemethoden.

Na het studentenexperiment gaf het toeval nog een tweede zetje. Fraaije noemde het studentenexperiment in een bijzin tijdens een congreslezing “over iets heel anders”, en na afloop stond er een vertegenwoordiger voor zijn neus van een grote denimfabrikant. Deze ontmoeting vormde de start van een gezamenlijk onderzoeksproject van drie jaar. De financiering kwam uit het LIFT-programma van NWO, dat er is om innovatieve technologie een startimpuls te geven.

Evolutie met enzymen
Om te beginnen werd de structuur van het enzym opgehelderd. Daarna begon het sleutelen om het enzym stabieler maken en sneller laten werken. “De kosten zijn essentieel bij industriële processen;  beide factoren maken het proces goedkoper”, licht Fraaije toe. Hij vertelt dat de techniek om enzymen te veranderen enorm is verbeterd: “Waar we vroeger jaren over deden, doen we nu in een paar maanden.” Fraaije benadrukt het belang van gestuurde evolutie, de methode waarvoor Frances Arnold in 2018 haar Nobelprijs voor scheikunde ontving. Door willekeurig genetische veranderingen aan te brengen in de genen die betrokken zijn bij de productie van het enzym, ontstaan er tal van varianten op het oorspronkelijke enzym. Fraaije: “Uit die varianten selecteren we de best presterende enzymen.” In een paar generaties kunnen de prestaties van een enzym zo enorm verbeteren. Deze methode is in het indigo-onderzoek ook gebruikt.

Daarnaast maakten de onderzoekers gebruik van computersimulaties van het enzym. “Ook die zijn veel beter dan voorheen. De simulaties gaven ons inzicht in wat we konden doen om het enzym stabieler te maken.” Het denimbedrijf bracht kennis in over het isoleren en karakteriseren van het indigo.

Groene spijkerbroek
De resultaten van het project waren zo goed dat de resultaten zijn gepatenteerd. Fraaije: “Dat betekent dat ze er echt wat in zien.” Of de enzymen over een tijdje het blauw voor zijn spijkerbroeken maken, durft hij niet te voorspellen. “De economische haalbaarheid is moeilijk te voorzien. De vraag is ook waar je mee moet concurreren. Als dat met de bestaande technologie is, dan zal het niet zo makkelijk zijn om het voor dezelfde prijs te kunnen doen. Maar als mensen gaan vragen om “groene” spijkerbroeken, wat mooi zou zijn, dan is het een ander verhaal.”

Foto: Gitane/Wikimedia