Waterafstotend, fluorescerend en supermagnetisch katoen

De katoenteelt weegt op het milieu. Toch kan en wil de consument niet zonder. Chemicus Filipe Natalio, verbonden aan het Weizmann Institute of Science in Rehovot, kwam op een geniale gedachte. Hij teelde geen vervanger, maar modificeerde de plant om de teelt ervan echt duurzaam te maken. Ook gaf hij er intelligente eigenschappen aan, die anders alleen door een chemische behandeling kunnen worden bereikt. De vezels van deze gemodificeerde plant  zijn waterafstotend, fluorescerend en supermagnetisch. 

Filipe Natalio legt uit hoe hij op de gedachte kwam om de teelt van katoen te verduurzamen en de plant andere eigenschappen te geven. "De natuur kan bepaalde soorten materialen veel beter maken dan wij mensen. Dit is bijvoorbeeld te zien aan de fotosynthese, die een zeer complex proces is. Er is licht, water en kooldioxide nodig om suiker te produceren – en dan wordt deze suiker suikerriet. In de chemische synthese van sacharose zijn twaalf stappen nodig om dit te bereiken. De natuur doet het in twee stappen. Ik zag dit als een uitdaging en vroeg me af waarom we deze biologische mechanismen niet ook voor katoen kunnen gebruiken.”

,,De katoenteelt verbruikt veel water en pesticiden. Als er geen vruchtwisseling wordt toegepast, vernietigt het ook de bodem. Daarom hebben ervoor gekozen katoen in water te verbouwen. Met het hydrocultuursysteem is het waterverbruik aanzienlijk minder dan bij de conventionele teelt. Door de katoenteelt in een kas waren we niet gebonden aan de seizoenen en konden we zelfs in de winter katoen telen. In plaats van pesticiden gebruikten we lieveheersbeestjes, die het ongedierte van de plant vernietigden.”

De eerste geteelde nieuwe katoen, in Duitsland, gaat terug tot Natalio's tijd als junior professor aan de Universiteit van Halle, waar hij die waterteelt voor de eerste keer in praktijk bracht. Het was de eerste lokale en biologisch geteelde katoen in Duitsland.

,,Maar omdat het in een kas wordt geteeld, is het proces nog steeds duur vanwege de verwarming en de verlichting. We hebben aangetoond dat het mogelijk is om lokaal katoen te produceren, zonder CO2-voetafdruk. We werken momenteel aan de verbetering van de methode om te voldoen aan de richtlijnen van de Verenigde Naties voor een duurzame toekomst. We willen het waterverbruik nog verder terugdringen. We denken dat we een besparing van 90 procent kunnen bereiken in vergelijking met de conventionele teelt.”

Nieuwe katoensoort met intelligente eigenschappen

Voordat Natalio de kantoenplant nieuwe eigenschapen kon meegeven, moest er veel onderzoek worden gedaan. "Je moet eerst de plantenbiologie op een multischaal niveau begrijpen. De wortels, de stam, de bladeren, de vezels – en hoe de vezels worden gevormd. Dit vereist fundamenteel onderzoek. Er zijn veel onderzoekers die kleinschalig onderzoek doen, maar er zijn er wereldwijd maar een vijftal op meerdere schaalniveaus. Dit is de reden waarom synthetische biologie bijna uitsluitend met bacteriën werkt. We weten nog niet genoeg over andere systemen.”

"Katoen is zeer complex, vervolgt hij. ,,Terwijl wij mensen één genoom hebben, heeft katoen er vier. Vier superlange DNA-strengen. Dit komt door de domesticatie. Het maakt de genetica erg ingewikkeld. In de conventionele katoenveredeling worden twee verschillende rassen eenvoudigweg gecombineerd. In plaats van de genomen te gebruiken, worden ze eenvoudigweg gekruist. Als je ze wilt gebruiken, moet je eerst de afzonderlijke stappen uit het basisonderzoek begrijpen en ze vervolgens combineren met chemie.”

Moleculen synthetiseren

"Het is als een horloge. Als je wilt dat de radertjes sneller of langzamer draaien, moet je de functie van elk afzonderlijk radertje begrijpen. Naar analogie van ons biologische systeem omvat dit enzymen, vezelstructuren en plantenfysiologie – van het molecuul tot de hele plant. We keken naar het DNA van de wortels en probeerden te begrijpen hoe suikervervoer in planten werkt. Pas toen we de plantenbiologie begrepen, konden we overgaan tot synthetische chemie en nadenken over welke molecule en welk type chemie we zouden kunnen gebruiken.”

,,De uitdaging was om moleculen te synthetiseren en ze vervolgens te voeden in het hydrocultuursysteem. We zetten de gesynthetiseerde moleculen in water, waar ze door de plant werden geabsorbeerd en katoen produceerden, dat ofwel fluorescerend, waterafstotend of supermagnetisch is. Dat was het bewijs van het concept. Nu werken we aan schaalvergroting en willen we overgaan tot industriële implementatie.”

Waterafstotend en fluorescerend katoen

Waterafstotend katoen is natuurlijk perfect om regenjassen van te maken. Maar wat is een goede toepassing voor fluoriserend katoen? Natalio laat daarbij nog niet het achterste van zijn tong zien. Dat heeft te maken met de octrooien die op dit moment worden aangevraagd. ,,Daarom kan ik niet in detail treden,” legt Natalio uit. ,,De ene manier is om katoen rechtstreeks aan de consument te verkopen en de andere manier is om het te verkopen aan bedrijven die geïnteresseerd zijn in commercialisering. Het voordeel is dat de kleur die met moleculen in de plant wordt gebracht, niet zo snel uitspoelt. Dit betekent dat kleren lang gedragen kunnen worden zonder dat ze er afgedragen gaan uitzien. Hierdoor hoeft er minder vaak nieuwe kleding te worden gekocht en wordt de druk op de toeleveringsketen verminderd. Als er minder katoen hoeft te worden geteeld en geverfd, dan is dat duurzaam en heeft dat ook een positief effect op het milieu.”

En wat doen we met super-magnetische kleding? ,,Dat was min of meer een experiment, omdat we wilden zien of we andere eigenschappen van katoen konden inbouwen. Supermagnetische eigenschappen laten de codering van de vezels toe. Wanneer vezels informatiedragers worden, kan bijvoorbeeld de herkomst ervan worden getraceerd. En dat is een zeer belangrijk thema.

 

Het project is ontwikkeld in wetenschappelijke samenwerking met Michaela Eder van het Max Planck Instituut in Potsdam.