Ecologische regen op aanvraag

Drie op tien mensen ter wereld hebben momenteel geen toegang tot veilig en schoon water. Zelfs in België is waterschaarste een actueel probleem. Waarom dan geen oplossing zoeken om het meer te laten regenen?

Te weinig regen?

Momenteel gaat er geen dag voorbij of er staat een artikel in de krant over het grondwatertekort in België of de extreme droogte. Om toch een extra hoeveelheid neerslag te krijgen, maakt men in landen zoals China gebruik van cloud seeding, waarbij bepaalde chemische middelen, voornamelijk zilverjodide (AgI), in wolken verspreid worden.

 Deze deeltjes zorgen voor extra kernen waarop ijsvorming of condensatie kan optreden. Dit kan niet enkel gebruikt worden om regen te induceren, maar ook om oogsten te beschermen tegen zware hagelstormen, extra sneeuw te creëren in skigebieden en mist op luchthavens te verminderen. Men kan zich natuurlijk afvragen of deze chemicaliën nu echt de meest efficiënte en meest veilige zijn in gebruik, want natuurlijke neerslag wordt uiteraard niet gevormd door menselijke moleculen. Onderzoek heeft al aangetoond dat grote hoeveelheden van zilverjodide schadelijk kunnen zijn voor zowel ecosystemen als voor de gezondheid van mensen. Daarom was ons idee om hier een biodegradeerbaar, niet-toxisch alternatief voor te zoeken.

De internationale competitie iGEM

Het idee kwam ter sprake toen we aan het denken waren over een project om deel te nemen aan iGEM (International Genetically Engineered Machine). Dit is een wereldwijde wedstrijd waar studenten oplossingen zoeken voor actuele problemen en deze proberen op te lossen met behulp van synthetische biologie. Aangezien één van de Sustainable Development Goals van de UN gaat over waterschaarste, vroeg iemand zich af waarom we het niet ‘gewoon’ extra konden laten regenen. Zo ontstond het idee om een alternatief middel voor cloud seeding te ontwikkelen. Het idee is al zeer enthousiast ontvangen!

Ons project: 'Vsycle'

De naam van het product dat we willen ontwikkelen is ‘Vsycle’. Vscyle bestaat uit een vesikel waarop ijskiemproteïnen, INPs (Ice Nucleation Proteins) zijn gebonden. Vesikels zijn kleine blaasjes, afgescheiden door cellen, die stoffen bevatten en omgeven worden door een membraan. De functie hiervan is het opslaan of het transporteren van bepaalde stoffen tussen en in cellen. INPs werken dan weer omdat ze wateraantrekkende en waterafstotende regio’s bevatten waardoor watermoleculen zo aangetrokken worden dat een structuur gelijkend op een ijskristal bereikt wordt. Het voordeel ten opzichte van de huidige methoden is dat de vesikels met INPs ook daadwerkelijk biologisch afbreekbaar en niet giftig zijn. Bovendien is aangetoond dat de INPs een hogere efficiëntie hebben als wolkcondensatiekern in vergelijking met de chemicaliën die vandaag de dag gebruikt worden in cloud seeding. De INPs komen ook van nature voor in wolken waar ze geproduceerd worden door bacteriën. De INPs zijn aan hun oppervlak gebonden. Uit ander onderzoek is ook gebleken dat de INPs daadwerkelijk efficiënter zijn wanneer ze aan een oppervlak worden gebonden in vergelijking met een oplosbaar eiwit.

Het 'productieproces'

Voor de productie van Vsycle zal de meest veelbelovende INP-producerende kandidaat worden geselecteerd die een eenvoudig en efficiënt expressiesysteem heeft om INP's functioneel tot expressie te brengen via een vesikel. Deze keuze zal bepaald worden met behulp van literatuur en metagenomische gegevens (uit de studie van rechtstreeks uit omgevingsmonsters gewonnen genetisch materiaal) van monsters uit wolken te onderzoeken. Vervolgens zal een nieuw expressiesysteem worden ontwikkeld om INPs op een vesikel weer te geven. Een dergelijk systeem heeft het voordeel dat INPs membraangebonden zijn, wat de ijskiemactiviteit van INPs verhoogt in vergelijking met oplosbare INPs. Bovendien zal het herstel van deze vesikels met INPs uit celculturen het mogelijk maken om het gebruik van GGO's en de bijbehorende risico's, wetgeving en negatieve publieke perceptie te vermijden. Ten slotte zal een stroomafwaarts proces worden ontwikkeld en geoptimaliseerd om de vesikels te herstellen. Omdat deze vesikels verschillen van de bacterie-celgrootte, worden (ultra)centrifugatie- en filtratiestappen toegepast. Daarnaast zal, op basis van het hydrofobe karakter van de vesikels, ook zuivering door fasescheiding worden gebruikt.

Testen van de activiteit

De efficiëntie van ijskiemactiviteit van INPs wordt over het algemeen getest door te kijken naar de laagste temperatuur onder nul waarbij onderkoeld water, dat normaal nog vloeibaar is bij temperaturen ver onder 0°C (tot -35°C), begint te bevriezen. In de praktijk gebeurt dit door middel van een druppelbevriezingstest. Bij deze test worden ijskernen toegevoegd aan een aantal waterdruppels bij verschillende temperaturen en temperaturen waarbij de meeste kernen bevriezen. Het doel is om in een later stadium het effect van de vesikels als cloud seeding middel te testen. Om dit te onderzoeken wordt er een wolk gemaakt in een gecontroleerde isotherme kamer en worden de effecten van het toevoegen van de middelen waargenomen. 

Is Vsycle dan geen GGO?

Door wetgeving met betrekking tot GGO's is het vrij moeilijk om genetisch gemodificeerde bacteriën vrij te laten. Daarom zullen we Vsycle creëren als een niet-levend vesikel met gebonden INPs die geen DNA of celcompartimenten bevat. Op die manier worden er eigenlijk geen GGO’s in de natuur gebracht. 

Extra toepassingen?

Op basis van ons vooronderzoek zijn wij als team van mening dat Vsycle niet alleen een beter presterend, niet-giftig en biologisch afbreekbaar alternatief is voor de huidige cloud seeding middelen. Vanwege zijn eigenschappen kan het worden gebruikt voor een breder scala aan toepassingen, zoals het voorkomen van overstromingen en het verstrekken van extra regen aan droge ecosystemen die op het punt staan ​​in te storten als gevolg van klimaatverandering. Dit zou duizenden - zo niet miljoenen - soorten kunnen redden in plaatsen als de Sahel en Australië, maar uiteindelijk over de hele wereld. Het Vsycle cloud seeding-initiatief heeft tot doel 15-30% extra regen te brengen waar het wordt gebruikt om regen op te wekken. Deze extra percentages kunnen het verschil betekenen tussen het overleven of uitsterven van een soort. We hopen dat Vsycle een stap zou kunnen zijn in de richting van herstel van ecosystemen die door klimaatverandering te lijden hebben onder droogte. Dit komt alle soorten organismen ten goede, van insecten tot zoogdieren en planten.

There are no secrets about the world of nature. There are secrets about the thoughts and intentions of men - J. Robert Oppenheimer