Disclaimer: This article was originally written for UKrant / Dutch version below

Ten Groningen students may have discovered the perfect way to solve the nitrogen issue: a food supplement that inhibits the production of ammonia inside cows.

The speed limit on Dutch highways has been decreased to 100 kilometres per hour, construction projects were halted, and livestock had to be reduced. The Dutch government didn’t take half measures in an effort to combat the nitrogen crisis. Furious, farmers shut down highways in protest, and one even broke down the door of the Groningen provincial building with his tractor.

But what if you could tackle this problem at the source? What if you could prevent cows, whose faeces release large quantities of ammonia, from producing as much of the harmful chemical? Ten Groningen students think it’s possible.

They’ve made quite a bit of progress already. ‘We’re hoping to show the government and the farmers that there’s a different way to go about it’, says biomedical sciences student Milou Venema.

DNA

The ten students, from the programmes artificial intelligence, biomedical sciences, and chemistry, are working to creating a nutritional supplement using yeast. Baker’s yeast is one of the most common forms of yeast, a single-celled fungus that’s been used for baking bread and brewing beer for millennia.

However, their baker’s yeast is just a little bit different; they’ve modified it. The students have manipulated the yeast DNA to create a substance that, when mixed with their feed, stops cows from producing as much ammonia.

One interesting side effect: it also stimulates growth and milk production. So it’s a win-win situation.

Real problems

Together, the ten students form the iGEM team. This year, they’ll be representing the UG at the largest student competition for genetic manipulation. They’ll be one of 356 teams trying to tackle real problems with synthetic biology.

For six months, the teams spent every possible moment, even during the summer, in the lab or the office. They experimented with four different types of yeast, inserting extra pieces of DNA, which they’d simply ordered from a mail order company.

Milou explains that the modifications made the yeast cells produce alpha-amylase. Mixing that into livestock feed makes cows digest their food more efficiently, which means they produce less ammonia. The chemical isn’t new to cows’ stomachs: alpha-amylase is already present, just in smaller quantities.

Resources

Ultimately, the students’ goal is to use as few resources as possible to make as much alpha-amylase as they can. ‘To keep costs down’, says Milou. They can choose from 640 different combinations of yeast and DNA.

‘Fortunately, we only need to create 10 percent of these combinations for artificial intelligence to be able to predict which combination will work best.’

In addition to the food supplement, the students have also been brainstorming more ‘traditional’ ways of combating ammonia: a filter to catch the ammonia being produced in a barn. These could be used in pigsties and chicken coops. These Metal Organic Frameworks (or MOF) contain a powder that ammonia sticks to.

State of the art

They could then feed that captured ammonia to their yeast cells to help them grow, making the entire project circular. ‘But it’s all very new still. Really state of the art’, says Milou, ‘so we don’t have it completely worked out yet. But we do want to use it eventually.’

Unfortunately, the team’s plans aren’t necessarily easy to put into practice. A type of yeast that doesn’t occur in nature can’t just be produced by anyone. ‘It’s a genetically modified organism’, says Carian Kuitert, biomedical sciences student. ‘The Netherlands have some very strict guidelines you have to meet before you can work with GMOs.’

Whether they’ll succeed or not, the students have certainly proved that there are alternative solutions to the nitrogen crisis. ‘What I love about our project is that it stops the ammonia production at the source; in the cow’s stomach’, a proud Milou says. ‘We’re hoping for someone to pick it up and start working with it. Whether we’ll continue with it or not.’

The students are raising money so they can participate in the competition gofundme.com.

---

Studenten hopen stikstofcrisis bij de bron op te lossen: in de maag van de koe

Tien Groningse studenten hebben misschien wel de perfecte methode ontwikkeld om het stikstofprobleem aan te pakken. Een voedingssupplement dat de ammoniakproductie in de koe remt.

De maximumsnelheid op Nederlandse wegen moest omlaag naar 100 kilometer per uur, bouwprojecten werden platgelegd en de veestapel moest inkrimpen. Nederland nam stevige maatregelen om de stikstofcrisis het hoofd te bieden. Uit woede daarover blokkeerden boeren vervolgens de snelwegen en ramde een tractor de deur van het provinciehuis in.

Wat nu als je het probleem bij de wortel kunt aanpakken? Wat als je kunt zorgen dat koeien, die met hun ontlasting grote hoeveelheden ammoniak uitstoten, minder van die schadelijke stof produceren?

Tien Groningse studenten denken dat dat kan. En ze zijn al een heel eind. ‘We hopen de overheid en boeren te inspireren dat het ook anders kan’, vertelt student biomedische wetenschappen Milou Venema.

Bakkersgist

De tien studenten – van artificial intelligence, via biomedische wetenschap, naar scheikunde – zijn bezig een voedingssupplement te maken met behulp van gist. Op zich niks bijzonders; bakkersgist is een van de meest voorkomende soorten gist. Het is een eencellige schimmel die al millennia wordt gebruikt om brood te bakken en bier mee te brouwen.

Maar dit soort bakkersgist is anders. Aangepast. De studenten hebben het DNA zodanig gemanipuleerd dat het een stof aanmaakt waardoor een koe minder ammoniak produceert als je het in veevoer stopt. Belangrijke bijkomstigheid: het stimuleert ook de groei en de melkproductie. Een win-winsituatie dus.

Echte problemen

De tien vormen samen het Groningse iGEM-team en ze reizen dit jaar naar de grootste internationale studentenwedstrijd voor genetische manipulatie ter wereld om daar de RUG te vertegenwoordigen. Ze zijn daar één van de 356 teams die proberen serieuze problemen te tackelen met synthetische biologie.

Zes maanden lang zat het tiental elk mogelijk moment, ook in de zomervakantie, in het lab of op kantoor. Ze experimenteerden met vier verschillende gistsoorten waar ze telkens extra stukjes DNA inbouwden, die ze overigens gewoon als poststuk bij een bedrijf bestelden.

Door de aanpassing gingen de gistcellen alpha-amylase produceren, legt Milou uit. En als je dat in het veevoer doet, verteert de koe haar eten efficiënter, waardoor ze minder ammoniak uitstoot. De stof is trouwens geen vreemde voor een koeienmaag; alpha-amylase zit daar normaal gesproken ook al in, maar dan in mindere mate.

Grondstoffen

Uiteindelijk willen de studenten ernaartoe dat ze met zo min mogelijk grondstoffen zo veel mogelijk van de alpha-amylase kunnen maken. ‘Omdat je het zo goedkoop mogelijk wilt houden’, zegt Milou. Ze hebben daarvoor de keuze uit 640 verschillende combinaties van gist en DNA.

Naast het maken van het voedingssupplement, denken de studenten ook aan een meer ‘traditionele’ manier van ammoniak bestrijden: een filter in de stal dat ammoniak opvangt – in dit geval voor varkens- en kippenstallen. Zo’n MOF (Metal Organic Framework) bevat een poeder waar ammoniak zich aan hecht.

Die ammoniak zouden ze dan weer aan de gistcellen kunnen voeren, zodat die daarvan groeien. Een circulair project dus. ‘Dat is wel heel nieuw. Echt state of the art,’ zegt Milou, ‘Dat is dus nog niet volledig uitgewerkt. Maar dat willen we uiteindelijk wel gebruiken.’

Strenge richtlijnen

De plannen van de tien zijn alleen niet zo makkelijk in de praktijk te brengen. Een gist die niet in de natuur voorkomt, mag namelijk niet zomaar door iedereen geproduceerd worden. ‘Het is een genetically modified organism’, zegt Carian Kuitert, student biomedische wetenschappen. ‘We hebben in Nederland heel strenge richtlijnen waar je aan moet voldoen voordat je daarmee mag werken.’

Of het wel of niet lukt, de studenten hebben in ieder geval aangetoond dat er andere oplossingen zijn voor de stikstofcrisis. ‘Wat ik zelf heel tof vind aan ons project is dat het ammoniak echt bij de bron stopt, dus nog in de maag van de koe’, aldus een trotse Milou. ‘We hopen dat iemand denkt: hier gaan we ook wat mee doen. Of wij er nou mee doorgaan of niet.’

Om aan de wedstrijd mee te kunnen doen, zamelen de studenten geld in via gofundme.com.