Studententeam SublimeStone gebruikt E. coli-bacteriën om beschadigd kalksteen te herstellen. De methode is vooral geschikt voor het restaureren van monumenten.
Kalksteen, ofwel mergel, is al sinds mensenheugenis een veelgebruikt bouwmateriaal. De Piramide van Gizeh, het Parthenon in Athene, het Empire State Building in New York en ook de stadswallen van Maastricht zijn van deze steensoort gebouwd.
Helaas heeft het materiaal de tand des tijds niet overal goed doorstaan. Kalksteen is zuurgevoelig. Het verweert door op te lossen onder invloed van regen en luchtverontreiniging. Een studententeam van de Universiteit Maastricht ontwikkelde een methode om de hieruit voortkomende schade aan kalksteen gebouwen te herstellen. Ze noemen zich SublimeStone, gebaseerd op het Engelse woord limestone voor kalksteen.
KIVI Award
Tijdens de Dag van de Ingenieur, die dit jaar op 13 maart in Den Haag werd gehouden, ging SublimeStone er met de publieksprijs vandoor bij de uitreiking van de KIVI Engineering Student Team Award voor het beste studententeam van het jaar.
‘Dat was onverwacht en heel leuk om mee te maken’, zegt teamlid en student biochemie en moleculaire biologie Floor Vervuren. ‘Ruim een jaar geleden hadden we alleen nog maar een idee, het is fantastisch dat we inmiddels zover zijn gekomen’, vult haar medeteamlid en student natuurwetenschappen Fien Eickmans aan.
Ploegendienst
Dat idee was om het reparatiewerk aan monumenten te laten uitvoeren door twee ploegen genetisch gemodificeerde Escherichia coli-bacteriën. Deze darmbacterie wordt als modelorganisme veel gebruikt in wetenschappelijk onderzoek.
De genetische aanpassing bestond uit het toevoegen van een extra stukje DNA, coderend voor een nieuwe eigenschap. Twee E. coli-stammen kregen zo elk een andere eigenschap erbij om de reparatiewerkzaamheden uit te voeren. De ene stam bouwt een frame van DNA-achthoeken in de scheur of het gat in de kalksteen, de andere stam vult dit frame met calciumkristallen.
‘Er ontstaat eerst een soort spinnenweb in de beschadiging, waaraan de kristallen zich vervolgens kunnen hechten’, zegt Vervuren ‘Zo groeit het gat als het ware weer dicht.’ De calciumionen slaan hierbij neer op het DNA-skelet.
Alternatieven
Andere manieren om scheuren in kalksteen te dichten, zijn vaak duur en arbeidsintensief. Scheuren dichten kan met lijm of vulmateriaal, maar dat werkt vaak niet optimaal. Door variaties in de hardheid, porositeit en wateropname is het lastig het juiste plak- of vulmiddel te vinden. Soms worden delen van een kalkstenen monument daarom verwijderd en vervangen door een andere steensoort.
Technieken
De bacteriën die het frame bouwen, maken gebruik van een soort DNA-origamitechniek. Dat is een manier om hiervoor toegevoegde DNA-strengen op nanoschaal tot twee- of driedimensionale structuren te vouwen, in dit geval octaëders (zie de figuur onder dit artikel). De gevouwen DNA-streng wordt hierbij op specifieke plekken bij elkaar gehouden door complementaire baseparen – alsof er nietjes doorheen zijn geslagen.
De andere groep bacteriën maakt calciumcarbonaat (CaCO3), geholpen door een enzym (carboanhydrase) dat als katalysator fungeert. De microben worden daarvoor gevoed met calciumionen en nemen CO2 op uit de lucht. ‘Omdat er alleen scheuren mee worden gedicht, zijn dit te kleine hoeveelheden om de bacterie tot bestrijder van de klimaatverandering te bestempelen’, zegt Eickmans desgevraagd.
iGem
SublimeStone werd opgericht in februari 2023 om mee te doen aan de iGEM (international Genetically Engineered Machine)-competitie, waarin studententeams uit de hele wereld het tegen elkaar opnemen met zelfbedachte toepassingen van synthetische biologie.
Tijdens de iGEM-competitie bestond het team uit elf studenten, aan het vervolgproject werken er nu nog acht. Het is een internationaal gezelschap, Eickmans en Vervuren zijn de enige Nederlandse studenten in het team. Wat zij voor zichzelf het meest waardevol vinden, is het werken aan een écht project. ‘Bij sommige lessen staan we ook wel in het lab, maar dat is echt heel anders.’
Voortgang
Afzonderlijk doen beide bacteriestammen wat ze moeten doen, weten de studenten inmiddels,. De eerste testen waarbij de verschillende microben samenwerken en de productie van calciumcarbonaat daadwerkelijk in het DNA-raster plaatsvindt, zijn net afgerond. Of ook dat gelukt is, weten de studenten nog niet. De resultaten moeten eerst terugkomen van een lab buiten Maastricht, waar de testmonsters met een speciale scanning probe microscoop zijn geanalyseerd.
Einddoel
Uiteindelijk is het de bedoeling dat de bacteriën en het DNA voor het raster worden samengevoegd in een gel die in het beschadigde kalksteen kan worden gespoten. Eickmans: ‘Daarna moeten we nog allerlei details uitzoeken, zoals wat is de beste manier van toediening, wat zijn de eigenschappen van het nieuwe gesteente en hoe sterk is dat.’
Daarvoor moet het team wel een doorstart krijgen. Een deel van de studenten is aan het afstuderen en volgend jaar dus vertrokken en naar de iGEM-competitie gaat elk jaar een nieuw team en project. ‘We hopen van SublimeStone met nieuwe studentleden een project voor een langere termijn te kunnen maken’, zegt Vervuren. ‘Zodat we straks een steengoede methode hebben!’, vult Eickmans grinnikend aan.
Openingsbeeld: Depositphotos
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.