Het in Wageningen gevestigde Hudson River Biotechnology timmert al een tijdje succesvol aan de weg met het op basis van CRISPR versnellen van het veredelingsproces van gewassen. Hiernaast ontwikkelen ze een technologie gebaseerd op biologisch afbreekbare nanodeeltjes, genaamd ‘Plentrance’. Deze nanodeeltjes hebben het vermogen om de horde van de plantencelwand te nemen en daarmee minuscule lading herbiciden, voedings- of andere stoffen in de plant te brengen. Simone Scintilla, team lead biochemie, is met zijn team al zover dat de eerste formuleringen met calcium als lading in het veld kunnen worden getest.

Research technician Plant Tissue Culture/CRISPR team Michael Torgbor bij de Lyovapor L-200 van BÜCHI Labortechnik, die is aangeschaft voor het vriesdrogen van oplossingen met nanodeeltjes, die vervolgens in veldproeven kunnen worden toegepast.

Het mechanisme achter het passeren van de celwand is nog niet helemaal duidelijk. “Het moet iets van een actief transport zijn, want tijdens de experimenten met de fluorescente probes konden we binnen 30 minuten fluorescentiesignalen in de cel detecteren. Dat is behoorlijk snel, en zal je nooit lukken met een passief proces”, stelt Simone.

Meer vat hebben de Wageningse biochemici inmiddels op het maken van de nanodeeltjes en ze voorzien van een ladinkje moleculen, die mee kunnen liften door de celwand. Daar wil Simone niet meer over kwijt dan dat het spheres zijn met een typische diameter tussen de 100 en 200 nm. Ze zijn gemaakt van eiwitten. Er worden dus geen moleculen gesynthetiseerd, wat in het perspectief van de toepassingen een pre is. Zeker als dat met plantaardige eiwitten gebeurt, zoals bijvoorbeeld soja-eiwitten.

Afhankelijk van de eigenschappen van de af te leveren moleculen kunnen verschillende soorten nanodeeltjes worden ingezet. “We bestuderen de cargo en onderzoeken de interactie/communicatie met de feedstock; de grondstof waaruit we het nanodeeltje maken. Op basis daarvan mengen we volgens een specifieke procedure de grondstof voor de nanodeeltjes en de cargo. Het resultaat daarvan analyseren we onder andere met DLS, dynamic light scattering. Hiermee kunnen we de deeltjesgrootteverdeling bepalen en zien of we qua spheres tot een homogene mix zijn gekomen.”

“Om daar ook een robuuste toepassing van te maken zoeken we nog veel meer uit”, vervolgt Simone. “Hoe zit het met de lading op het oppervlak. Is die positief of negatief? En wat gebeurt er over de tijd? Aggregeren de deeltjes, of blijven ze stabiel? Kan de cargo gemakkelijk worden afgegeven? Hoe lang duurt dat dan?”

De productie van de nanodeeltjes wordt onder andere gecontroleerd met DLS, dynamic light scattering, zoals hier gedemonstreerd door Lena Maas (team lead Genetics). Aan de hand van deze techniek kan je de deeltjesgrootteverdeling bepalen en zien of er qua spheres een homogene mix is gevormd.

Om meer handen en voeten te geven aan de efficiënte werking van de formuleringen met de nanodeeltjes is het zaak om de productie op te schalen, zodat er voldoende hoeveelheden beschikbaar zijn voor veldproeven. Hiervoor kan, in tegenstelling tot de laboratoriumproeven, geen gebruik worden gemaakt van de vers gemaakte deeltjes in oplossing. “Door de eiwitgebaseerde deeltjes te vriesdrogen kunnen ze prima worden bewaard en zijn ze ook na enkele weken nog goed bruikbaar door ze op te lossen in water. Vervolgens kunnen ze worden aangebracht op het plantweefsel. Dat zal in het veld via sproeien gaan. Voor het testen in het lab geven we er de voorkeur aan om te borstelen, zodat we een maximaal effect hebben in de toepassing.”

Vooralsnog zijn de productiehoeveelheden voor de veldproeven nog beperkt tot 5 kilogram. Maar dit gaf al de nodige uitdagingen bij het vriesdrogen. “Aanvankelijk hadden we dit proces uitbesteed. Het bleek echter dat het in onze ogen best wel veel tijd kostte om 5 liter van onze nanodeeltjes gedroogd te krijgen. Dat duurde wel een week! ”

“Er is derhalve besloten om te investeren in een eigen vriesdroger, zodat we dit essentiële proces beter in de hand hebben en kunnen optimaliseren”, vertelt Simone. “We hebben hiervoor verschillende leveranciers benaderd en zijn al in vroegtijdig stadium met BÜCHI Labortechnik het traject ingegaan om tot een voor ons zo geschikt mogelijke oplossing te komen, waarbij we zeker wisten dat het zou gaan lukken, en het liefst wat sneller dan een week. De specialisten van BÜCHI hebben hierin heel goed meegedacht en waren ook altijd snel beschikbaar voor het beantwoorden van vragen.”

Nadat bij BÜCHI in Breda met meerdere setups een sessie was uitgevoerd op ingevroren nanodeeltjes is gekozen voor de Lyovapor L-200, die qua capaciteit prima uit de voeten kan met monsters van 5 kilogram. Voordeel bij dit instrument is dat je de procestemperatuur kunt monitoren, zodat je goed kan zien wanneer het proces is afgerond. Ook kan je de platen verwarmen, zodat het proces sneller verloopt. “Het is gelukt om de vriesdroger zodanig te programmeren dat in proeven het aanvankelijk bevroren product zich identiek gedraagt als een vers geproduceerd nanodeeltje. Wat ook duidelijk werd was dat we niet al te veel van die week drogen konden afknibbelen. Het product absorbeert gewoon heel veel water, en het kost dus veel tijd om dat weer te verwijderen. Wel een geruststelling is dat we de laatste stap voor het verwijderen van de laatste restjes water nauwkeurig kunnen specificeren, zodat we zeker weten dat het water voor 100% verwijderd is. Zo hebben we een optimaal uitgangspunt voor de veldproeven!”