Zonlicht eten: Zullen mensen ooit fotosynthese kunnen gebruiken?

Stel je voor dat we konden leven van zonne-energie. Het zou ons leven zo veel makkelijker maken: eten zou overbodig worden, wat niet alleen geld, maar ook ontzettend veel tijd zou schelen. Landbouwgrond zou weer teruggegeven kunnen worden aan de natuur. Ondervoeding, uithongering en voedselgerelateerde ziekten zouden verleden tijd worden.

Helaas delen mensen en planten al enkele miljoenen jaren geen voorouders. Bijna alles van onze biologie werkt fundamenteel anders. Het lijkt er dus op dat er geen enkele manier bestaat om mensen zo aan te passen dat we fotosynthese zouden kunnen – of misschien toch wel?

Synthetisch biologen zoals Christina Agapakis onderzoeken serieus de mogelijkheden, en hebben zelfs geprobeerd om hybriden van planten en dieren te maken. Hoewel een fotosynthetisch mens nog toekomstmuziek is, toont nieuw onderzoek aan dat een intrigerend biologisch mechanisme het ontluikende veld vooruit zou kunnen helpen.

Het Marine Biological Laboratory in Woods Hole meldde vorige week dat wetenschappers het geheim achter Elysia chlorotica hebben ontsleutelt. De felgroene zeeslak lijkt op een blad, eet zonlicht als een blad, maar is in feite een dier. Het lijkt erop dat E. chlorotica haar groene kleur onderhoudt door algen te consumeren en de genen die fotosynthese mogelijk maken te kapen. Dit is het enige bekende geval van een meercellig organisme dat gebruik maakt van het DNA van een ander wezen.

"Het zou onmogelijk moeten zijn dat genen van een alg in een dierlijke cel functioneren," vertelde co-auteur Sidney K. Pierce, emeritus professor aan de University of South Florida in een persbericht. "En hier zie je het gewoon gebeuren. Het dier kan hierdoor op zonlicht leven." Als we onze eigen cellen zouden willen hacken om fotosynthese te doen, zouden we volgens de onderzoekers een soortgelijk mechanisme moeten bouwen.

Als het aankomt op het gebruik van zonne-energie, zijn mensen al miljarden jaren het verkeerde evolutionaire pad aan het bewandelen. Planten werden met de tijd dunner en doorschijnender, terwijl dieren dikker en ondoorzichtig werden. Planten conserveren het beetje energie dat ze van de zon krijgen door stil te staan, maar mensen bewegen graag – en hebben energierijk voedsel nodig om dat te doen.

Als je inzoomt op biologie – op onze cellen en genetische code – blijkt het dat we niet veel verschillen. Het is precies deze verbazingwekkende samenkomst op fundamenteel niveau die het mogelijk maakt dat dieren fotosynthese kunnen jatten. Dankzij het ontluikende veld van synthetische biologie, kunnen we dit soort processen namaken in een evolutionair ogenblik, waardoor biopunk-ideeën als fotosynthetische pleisters niet meer zo raar lijken.

"Als je genen van een organisme pakt en die in de cellen van een ander organisme deponeert, dan werken ze meestal niet," vertelde Pierce me. "Maar als het wel werkt, kan het plotseling een gigantisch verschil maken. Het is een soort versnelde evolutie."

Ondanks hun verfijndheid, zijn zeeslakken niet de enige dieren die het geheim van zonne-energie hebben gestolen van planten. Er bestaat een bepaald soort bladluis, dat volgens een paper in Nature in 2012, een rugzakje oplaadt met zonne-energie met behulp van speciale pigmenten. De orientale horzel gebruikt een soortgelijk trucje om lichtenergie in elektriciteit te veranderen. Maar geen van deze beesten gebruiken daadwerkelijke fotosynthese – ze kunnen geen koolstofdioxide in suikers veranderen.

Toch zijn er wel andere dieren die aan fotosynthese doen, maar dan doormiddel van symbiotische relaties. Het klassieke voorbeeld zijn koralen; kolonies van honderden dieren die fotosynthetische plankton in hun cellen hebben wonen. De gevlekte salamander gebruikt algen om hun embryo's te voeden in hun eieren.

Onder de dieren die duurzaam zijn gegaan, is de zeeslak op zonne-energie een apart geval. Ze zijn erachter gekomen hoe ze het tussenpersoon ertussenuit konden krijgen en fotosynthese zelf kunnen doen. Dit doen ze door chloroplasten van algen op te slurpen en deze te plamuren tegen de wand van hun spijsverteringsstelsel. Het dier kan daarna maanden leven zonder iets anders te eten dan zonlicht. Hoe de slakken hun gestolen zonnefabriekjes onderhouden was echter nog een mysterie.

Maar nu hebben Pierce en zijn co-auteurs een verklaring. De slakken stelen blijkbaar niet alleen chloroplasten van algen, maar ook kritieke DNA-structuren. In een paper dat in The Biological Bulletin verscheen, gebruikten de auteurs geavanceerde imagingtechnieken om vast te stellen dat een gen van de alg V. Litorea aanwezig is op het chromosoom van E. chlorotica. Het gen, dat een enzym codeert dat gebruikt wordt voor de reparatie van chloroplasten, helpt de slak om haar zonlichtmachines te onderhouden nadat de alg is verteerd.

Genetische diefstal is misschien zeldzaam in de natuur, maar wetenschappers spelen er al tientallen jaren mee in het lab. Door genen van het ene naar het andere organisme te hacken, hebben we allemaal nieuwe levensvormen gecreëerd – van maïs dat een eigen pesticide produceert tot glow-in-the-dark planten. Is het dan nog heel gek om te denken dat we fotosynthese in dieren kunnen krijgen – en misschien zelfs in mensen?

"Ik probeerde dat idee jaren geleden aan de US Navy te verkopen," vertelde Pierce me over de telefoon. "Ik dacht: als we chloroplasten in de huid van mensen kunnen krijgen, kunnen we misschien voor altijd onder water blijven." (Fotosynthese produceert naast suiker ook zuurstof.)

De Navy ging niet voor het idee, maar andere onderzoekers nemen het idee wel serieus. Bioloog, designer en schrijver Christina Agapakis, die een PhD in synthetische biologie van Harvard bezit, heeft een hoop tijd nagedacht over hoe we nieuwe symbioses kunnen bouwen, waaronder dierlijke cellen die fotosynthese kunnen doen. Zoals Agapakis me vertelde, waren het planten die ooit chloroplasten – die ooit vrije bacteriën waren – in hun cellen opnamen.

"Dit is een evolutionair verhaal dat miljarden jaren geleden is gebeurd," vertelde Agapakis. "We vroegen ons of dat ook sneller kon." Ze vertelde over een experiment waarin zebravisembryo's werden geïnjecteerd met fotosynthetische bacteriën. Verbazingwekkend genoeg gingen de vissen niet dood, en de bacteriën ook niet.

"Als we E. coli injecteerden, gingen de embryo's binnen een uur dood," zei Agapakis. "Maar met fotosynthetische bacteriën groeide de vis gewoon door. Uit een evolutionair standpunt lijkt het erop dat er iets speciaals is met fotosynthese."

Het was een fascinerende demonstratie van biologische veelzijdigheid. Maar het is nog lang niet het creëren van een organisme dat op zonlicht leeft. Het probleem is, volgens Agapakis, dat je een hoop oppervlakte nodig hebt om genoeg zonlicht op te vangen voor een maaltijd. Met bladeren kunnen planeten een gigantische hoeveelheid zonne-energie opvangen ten opzichte van hun grootte. Dikke, vlezige mensen, met onze lage volume-oppervlakteratio hebben waarschijnlijk niet genoeg ruimte.

"Als je mij vraagt, kan ik mezelf volledig fotosynthetisch maken, dan zou ik zeggen dat je helemaal zou moeten ophouden met bewegen, en dat je doorzichtig moet worden," zei Agapakis. "We maakten een berekening voor de zebravissen en kwamen erachter dat er duizenden algen per cel nodig zouden zijn om het te laten werken."

En inderdaad lijkt de zeeslak E. chlorotica de uitzondering die de regel bevestigt. De slak is zo veel op een blad gaan lijken dat het eigenlijk misschien wel meer een plant dan een dier is.

Maar ook al kunnen we niet helemaal van de zon leven, is er niets dat ons belet van een tussendoortje van zonlicht, toch? De meeste dieren die fotosynthese toepassen, inclusief een aantal verwanten van E. chlorotica, zijn niet helemaal afhankelijk van zonlicht. Ze gebruiken hun fotosynthese meer als een backup, als eten schaars is.

"Ze houden iets achter de hand tegen uithongering," vertelde Pierce. "Uit een ecologisch oogpunt kan fotosynthese dieren een hoop vrijheid geven."

Of we zouden een totaal nieuwe toepassing voor fotosynthese kunnen verzinnen.

"Je zou bijvoorbeeld een groene pleister op je huid kunnen hebben, een soort licht-geactiveerd wondhelingssysteem, bijvoorbeeld," zei Agapakis. (Wat een verschrikkelijk cool idee is waar wetenschappers al een tijdje over kletsen, maar niemand nog echt mee bezig is.) "Iets dat niet zoveel energie vereist als een mens."

Hoewel we voorlopig dus niet op zonne-energie zullen leven – tenzij we ineens doorzichtig kunnen worden, wat redelijk drastisch is – kunnen we ons wel laten inspireren door de natuur.