Mini cocaïne fabrieken – Hoe bacteriën en schimmels de revolutie van de (drugs)industrie leiden

Door Jeroen Koch, 17 april 2023

Onderzoekers uit Duitsland en China zijn er recentelijk achter gekomen hoe de coca plant cocaïne maakt. De onderzoekers hebben dit productieproces uit de plant over gezet naar een bacterie en een schimmel. Het kan dat de coca plant binnenkort vervangen wordt door een bacterie of schimmel. Dit zou grote gevolgen kunnen hebben voor de productie van cocaïne en andere drugs.

Microbiële celfabrieken onder de loep
Microbiële celfabrieken bestaan al meer dan 30 jaar. De fabriekjes worden echter steeds complexer en kunnen steeds meer produceren, maar wat zijn het en hoe werkt het? Celfabrieken zijn microben, voornamelijk schimmels en bacteriën, die worden aangepast en verbeterd om stoffen te produceren. DNA, de instructie voor de productie, kan worden overgeplaatst van een organisme naar een microbe. Dit is onder andere gedaan voor insuline, het medicijn voor patiënten met diabetes. Het kan ook zijn dat natuurlijke productie in microben slechts veranderd of verbeterd wordt. Dit is het geval is bij penicilline dat uit schimmels komt.

Met een expert op het gebied van schimmels en celfabrieken verkennen we de mogelijkheden. Han Wösten, microbioloog aan Universiteit Utrecht, spreekt zich positief uit: “Schimmels zijn een enorm goed platform om van alles te produceren”. Schimmels produceren van zichzelf al allerlei stoffen die worden gebruikt door de hele industrie wat een duurzaam alternatief is voor chemische middelen. Zo worden schimmels gebruikt voor productie van citroenzuur of enzymen in wasverzachters. In celfabrieken zoals gemodificeerde schimmels kunnen we efficiënter en goedkoper stoffen produceren. In het geval van penicilline zijn hierdoor de kosten verlaagd van $300 naar $10 per kilo.  Deze manier van produceren kan dus een goedkoper alternatief bieden dan het oorspronkelijke productieproces, maar ook duurzamer. Een duurzaam voorbeeld is gebruik van microbiële celfabrieken industrie is voor productie van insuline. Han Wösten stelt:

“Insuline werd voorheen uit de alvleesklier van varkens en koeien gehaald, tegenwoordig is het door microbiële celfabrieken een stuk goedkoper en makkelijker”

Cocaïne productie in microbiële celfabrieken
Nu begrijpen onderzoekers hoe de cocaïne geproduceerd wordt in de coca plant. Cocaïne wordt vanuit basisblokken opgebouwd, met behulp van 15 enzymen. Het merendeel van deze enzymen is pas eind vorig jaar door de eerdergenoemde onderzoekers ontdekt. De onderzoekers hebben vervolgens ook de reeks genen in microben geplaatst. Hoe realistisch is het dat microbiële celfabrieken op de korte termijn de nieuwe cocaïne massaproducent wordt? Vroeger werden er enkele genen overgeplaatst naar microben. Tegenwoordig worden hele groepen genen overgeplaatst in onder andere gisten. Het lijkt wel zo eenvoudig als stukken DNA knippen uit planten en plakken in microben zoals schimmels. Wösten legt uit dat dat iets ingewikkelder werkt omdat planten en schimmels anders in elkaar zitten. “Als je een groep genen knipt en plakt naar een schimmel vanuit coca, kan het zijn dat niet alles wordt herkend.” In de plantencel zitten er namelijk stukken in het DNA die worden eruit worden geknipt voordat er een eiwit van wordt gemaakt. Dit knippen van DNA werkt anders werkt in schimmels dan planten. Daarom worden de knipklare stukken (cDNA) overgezet in de schimmel in plaats van het onbewerkte DNA. Een eenvoudig overzicht hiervan is te zien in figuur 1.

Figuur 1. Overzicht productie van een gewenste stof uit planten via schimmel. Gecreëerd via BioRender.

De insuline productie met behulp van microbiële celfabrieken kwam pas na 20 jaar onderzoek en intensivering tot stand. Met huidige technieken schat Wösten dat het hele proces tot massaproductie in de mini cocaïne fabriekjes op ongeveer 10 jaar. Aangezien een groot deel van dit werk al uitgevoerd is zal er minder tijd nodig zijn voor het maken van de mini cocaïne fabriekjes. Hoeveel tijd is dan afhankelijk van hoeveel economische interesse hierin is. Naast economische belangen, kan er ook in de cocaïne fabriekjes worden geïnvesteerd omdat de productie duurzamer is dan in planten. Zo gaat traditionele cocaïne productie gepaard met ontbossing en vervuiling. Onderzoekers hebben baat bij de farmaceutische toepassing van cocaïne. Mensen zouden echter ook buiten het lab cocaïne kunnen produceren met deze bakkersgisten?  “Als je de stam bij wijze van spreken hebt gestolen moet dat kunnen.” reageert Han Wösten. Er zijn veel bierbrouwers die brouwen met hetzelfde type bakkersgisten.

“Wat dat betreft kun je cocaïne dan in principe thuis kweken.”

Cocaïnegebruik in Nederland

Omdat drugsgebruik in Nederland toeneemt, is deze ontwikkeling van belang; van 2015 tot 2022 is drugsgebruik gestegen. In de leeftijdsgroep van 16 tot 25 jaar is drugsgebruik het hoogst. Drugs zijn niet altijd zo zuiver als men denkt. Zo wordt cocaïne als het ware aangevuld met andere middelen, wat ook wel versnijding wordt genoemd. Soms worden de drugs met levamisol (antiwormenmiddel) of zelf met fentanyl versneden. Fentanyl kan al in lage hoeveelheid dodelijk kan zijn. Gebruik van drugs heeft niet alleen gevolgen voor je gezondheid. Milieuvervuiling, georganiseerde misdaad en jeugdcriminaliteit komen hier nog bovenop.

Cocaïne, nog voordat het geïsoleerd was uit de bladeren, wordt echter al duizenden jaren gebruikt vanwege de medicinale effecten. Daarom wordt de drug ook legaal geproduceerd voor farmaceutische doeleinden. Hierdoor is het interessant voor onderzoekers om te begrijpen hoe planten de stof produceren. Onderzoekers hopen uiteindelijk het productieproces makkelijker, sneller en goedkoper te maken. Een manier om dit te doen is dan ook met het gebruik van microbiële cel fabrieken.

De microbiële revolutie
Microbiële celfabrieken zijn dus al een tijd verantwoordelijk voor een aantal belangrijke stoffen in de (farmaceutische) industrie. Nu cocaïne ook in farmacie wordt toegepast is er interesse om de productie hiervan ook in microbiële celfabrieken toe te passen. Uit het interview met expert Han Wösten blijkt dat microben dan gebruikt kunnen worden voor productie van allerlei stoffen. Microbiële celfabrieken lenen zich zelfs voor grotere projecten in de toekomst, specifiek voor bakkersgisten ziet Wösten een grote toekomst:

“Het mooie van bakkersgist is dat je er ook hele nieuwe chromosomen (zeer grote stukken DNA) in kan zetten. De toekomst is daarom dat met bakkersgisten, kunstmatige cellen kunnen worden geproduceerd.”

Ook in het geval van productie van drugs, en specifiek cocaïne, is het een kwestie van tijd voordat microben dit maken. Wellicht wordt de volgende industriële revolutie geleid door microben. Het lijkt in ieder geval een kwestie van tijd tot de mini cocaïne fabrieken het werk overnemen van de originele coca plant.