Nieuwe gistsoort kan biotechnologie verduurzamen

Nieuws - 06 augustus 2021 - Communication TNW

Normaal gesproken hebben gisten zuurstof nodig om zich te delen. Maar onderzoekers van de TU Delft zijn nu op een heel bijzondere gistsoort gestuit, die in staat is om snel te groeien zonder zuurstof. Hoe? Door een essentieel onderdeel van de normale gistcel door een surrogaat-molecuul te vervangen. In theorie kan deze ontdekking de industriële productie van bijvoorbeeld bier en biobrandstoffen door gisten duurzamer en efficiënter maken. De resultaten uit deze studie zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS.  

Gisten zijn misschien wel het meest bekend van het brouwen van bier, omdat ze kampioen zijn in het omzetten van suikers in alcohol. Deze handige micro-organismen worden in de biotechnologie ook op grote schaal ingezet als celfabriekjes om van diezelfde suikers, of andere grondstoffen, biobrandstoffen en andere nuttige producten te maken. Om de prijs van zulke producten zo laag mogelijk te houden, moeten de proceskosten ook laag blijven. En dan is het handig als micro-organismen geen adem halen. Waarom? Omdat ademende micro-organismen suikers gedeeltelijk tot CO2 verbranden, en dan dus minder product maken. Daarnaast genereren ze veel warmte, waardoor kosten voor koeling hoog kunnen oplopen.

Essentiële moleculen

“Helaas kunnen gisten doorgaans niet groeien zonder zuurstof”, vertelt onderzoeker Sanne Wiersma van de TU Delft. “Ze maken met behulp van zuurstof namelijk bouwstenen voor nieuwe cellen.” Een essentiële bouwsteen is ergosterol, de gist-variant van cholesterol. Slechts een enkele gistsoort, zoals bakkersgist Saccharomyces cerevisiae, kan het molecuul ergosterol opnemen uit zijn voeding als het daaraan wordt toegevoegd en op die manier toch zonder zuurstof groeien. Bierbrouwers hebben hier een andere truc voor: aan het begin van het proces beluchten ze de gist flink, zodat de cellen een voorraadje ergosterol kunnen aanleggen. De rest van de tijd teert de gist daarop.

Herontdekte soort

Experts dachten meer dan zestig jaar dat ergosterol een essentieel molecuul is voor gist. Maar er blijkt een bijzondere gist te bestaan, genaamd Schizosaccharomyces japonicus, die zich niets aantrekt van de afwezigheid van zuurstof of ergosterol. Vijftig jaar geleden beschreef een Nederlandse onderzoeker uit Wageningen deze gist al. Maar die onderzocht niet grondig hoe de soort zonder zuurstof kon groeien. Samen met twee ergosterol-experts uit Leiden en München vonden Delftse onderzoekers Sanne Wiersma en Jonna Bouwknegt in het celmembraan van deze bijzondere gist het molecuul hopanol, een ergosterol-surrogaat. En voor de productie van hopanol is géén zuurstof nodig.

Microscopiebeeld van de bijzondere gistsoort, Schizosaccharomyces japonicus

Geleend gen

De onderzoekers vonden ook het gen dat hopanol-productie mogelijk maakt, en dat bleek verrassend veel overeenkomsten te vertonen met DNA uit azijnzuurbacteriën. Hopanol heeft in die bacteriën een soortgelijke functie als ergosterol in gistcellen. Zowel het type gist uit dit onderzoek als azijnzuurbacteriën worden in de natuur op plekken met veel fruit gevonden, bijvoorbeeld in aardbeienvelden. “Blijkbaar heeft deze gist lang geleden een stukje DNA van een bacteriële buurman geleend”, zegt Wiersma. Dit soort ‘horizontale gen-overdracht’ komt wel vaker voor.

Wiersma en Bouwknegt hebben het gen voor hopanol-productie met behulp van CRISPR-Cas ook overgebracht naar bakkersgist, en die gistsoort kon daarna eveneens groeien zonder zuurstof of bijvoeding van ergosterol. Het nieuwe gen kan industriële processen waarin gisten een rol spelen dus mogelijk efficiënter maken. En bovendien is Schizosaccharomyces japonicus zelf ook een potentieel werkpaard voor de bier- of bio-ethanolindustrie.

Meer informatie

Link naar artikel

Sanne Wiersma

Jonna Bouwknegt

Prof. Jack Pronk

Head of department/Full professor

/* */