Synthetische biologie is het (her-)ontwerpen van cellen of delen daarvan. Hierbij maken synthetisch biologen veel gebruik van genetische modificatie. In sommige gevallen gaan de onderzoekers zelfs verder: ze bouwen en ontwerpen zelf het DNA dat ze willen gebruiken. Zo hebben synthetisch biologen meer controle over de cel waaraan ze bouwen. Er bestaan al internetbedrijven die DNA in een gewenste volgorde kunnen maken en opsturen (https://nl.wikipedia.org/wiki/Synthetische_biologie).
Dit klinkt allemaal heel veraf, maar het is al dichtbij. Er worden al hulp- en grondstoffen voor de (voedings)industrie geproduceerd dankzij synthetische biologie. Hierbij is het biergist een belangrijke speler. Het synthetische aan synthetische biologie wordt door sommigen gezien als goed, want het geeft sturing aan het proces (wat de vele miskleunen bij natuurlijk kruisen voorkomt), maar door anderen wordt het als iets slechts gezien. Bij het onderzoek naar gist en fermentatie hebben verschillende wetenschappers onderzoek gedaan. Opvallend is hierbij dat ook hier maatschappelijke belangen een rol spelen. Maatschappelijk debat blijft eigenlijk uit. Hoe komt dat? Synthetische biologie, is toch uitermate fascinerend? Biergist is toch ook reuze interessant? En het fermentatieproces en de biochemie daarvan is buitengewoon complex. Ik kon zelf niet eens dit artikel volgen, en ik heb het nog wel zelf samengesteld. Het gaat van smaakstoffen tot medicatie en van de 17e eeuw tot de (nabije) toekomst.
Een harde definitie voor synthetische biologie bestaat nog niet. Een veelvoorkomend kenmerk van de synthetische biologie is dat men ontwerpmethoden zoals abstractie en modulaire systemen probeert te introduceren in de biologie (https://nl.wikipedia.org/wiki/Synthetische_biologie).
De toepassing van synthetische biologie staat nog maar in de kinderschoenen. Op dit moment wordt alleen gewerkt met biomoleculen en eencellige organismen, zoals bacteriën en gisten (www.gezondheidsraad.nl/sites/default/files/persbericht_200819_site_g.pdf).
In het rapport 'Leven Maken' geeft het Rathenau Instituut een idee van synthetische biologie: "Onderzoekers omschrijven synthetische biologie als een nieuwe vorm van biotechnologie, waarbij het modificeren van bestaande, natuurlijke levensvormen geleidelijk overgaat in het gericht ontwerpen van nieuwe, kunstmatige levensvormen."
(https://nl.wikipedia.org/wiki/Synthetische_biologie)
Synthetische Biologie is een technologisch-wetenschappelijke ontwikkeling, waarin men technische ontwerpprincipes toepast op moleculair biologisch niveau. De techniek maakt het mogelijk om gericht DNA te lezen, te schrijven, samen te stellen en te veranderen. Toegepast in de industrie levert dit allerlei nieuwe mogelijkheden op. Denk aan medicijnen geproduceerd door micro-organismen of biobrandstof van genetisch gemodificeerde algen (www.rivm.nl/Documenten_en_publicaties/
Algemeen_Actueel/Nieuwsberichten/2015/Discussie_over_duurzaamheid_en_synthetische_biologie.
Synthetische biologie past technologische principes op de biologie toe. Daarbij kan het gaan om het herontwerpen van een levend systeem zodat het iets gaat doen dat het van nature niet doet, bijvoorbeeld het aanmaken van een bepaalde stof. Nog ambitieuzer zijn de verder gaande pogingen om volledig nieuwe levende systemen te maken, waarbij men leven maakt uit niet-levend materiaal (www.easac.eu/fileadmin/Reports/Synthetische_Biologie_een_inleiding_-_Dutch_version.pdf).
Nanotechnologie, het maken van systemen op moleculair niveau, bestaat weliswaar al langer dan de synthetische biologie maar is ook een van de nieuwere takken van wetenschap. De motoren en andere
machines die op moleculair niveau binnen deze discipline worden gecreëerd (of voorzien), hebben een vanzelfsprekende betekenis voor elke wetenschapper die zich bezighoudt met het synthetiseren van hele cellen of andere levende systemen. De overlap tussen nanowetenschap en synthetische biologie is zo groot dat het zowel lastig als zinloos is om te proberen deze twee vakgebieden af te bakenen (www.easac.eu/fileadmin/Reports/Synthetische_Biologie_een_inleiding_-_Dutch_version.pdf).
Tot het einde van de negentiende eeuw was biologie het domein van de naturalisten die planten en dieren, liefst in hun natuurlijke omgeving, bestudeerden door ze te observeren en te beschrijven. Daarna ging de biologie, vooral door de opkomst van de celbiologie, gaandeweg van waarneming en beschrijving in het veld naar het laboratorium en het experiment
...
De zich snel ontwikkelende kennis over DNA had al rond 1976, via de recombinant-DNA technologie, geleid tot het modificeren van bestaande organismen. Eerst ging dat alleen nog om bacteriën en andere micro-organismen, later waren ook planten en dieren aan de beurt. Dat gebeurde door het knippen van DNA-moleculen uit cellen van het ene organisme die daarna werden ingebracht in andere cellen. Hier was sprake van synthetische biologie ‘avant la lettre’.
Sinds een tiental jaren wordt expliciet melding gemaakt van synthetische biologie als een nieuwe
tak van de levenswetenschappen. Op basis van de geavanceerde DNA-technologie en de inzichten in
de dynamica van moleculaire bouwstenen worden nieuwe cellen of nieuwe subcellulaire structuren
gesynthetiseerd en geëxploiteerd. Sommige onderzoekers hebben zelfs de uitgesproken ambitie om
vanuit de bouwstenen voor het leven een compleet nieuwe levende cel te synthetiseren.
en Maatschappij (BWM) )
Wat is synthetische biologie volgens jou?
“Een mogelijkheid om de organismen om ons heen zo aan te passen dat we ze kunnen gebruiken, op een nuttige manier.” (www.kennislink.nl/publicaties/de-koppeling-tussen-biologie-en-elektronica-is-een-hele-stap-vooruit)
Het leven is een meccano- of lego bouwdoos. Zo zou je het uitgangspunt van de synthetische biologie kunnen omschrijven (http://educatie.ntr.nl/radio/501613/kort-nieuws/item/2405809/gist-maakt-benzine/).
synthetische biologie momenteel valt onder genetische modificatie, zoals omschreven in de Europese Richtlijnen 2001/18/EG en 2009/41/EG, en dat zal waarschijnlijk in de nabije toekomst zo blijven. De definitie luidt: "Synthetische biologie is de toepassing van wetenschap, technologie en techniek om eenvoudiger en sneller genetisch materiaal in levende organismen te ontwerpen, te produceren en/of te wijzigen." Het gaat hier om een voorstel voor een operationele definitie op basis van de huidige kennis van en inzichten in synthetische biologie. Het is immers moeilijk om het verschil tussen genetische modificatie en synthetische biologie nauwkeurig te definiëren op basis van kwantificeerbare en meetbare criteria. Naast de definitie werd overwogen een lijst van specifieke criteria op te stellen, aangezien synthetische biologie alle organismen, systemen, materialen, producten en toepassingen omvat die voortkomen uit de invoering, assemblage of wijziging van genetisch materiaal in een levend organisme (http://ec.europa.eu/health/newsletter/144/focus_newsletter_nl.htm).
De ETC Group, een internationaal platform dat maatschappelijke gevolgen van nieuwe technologieën in kaart brengt, geeft deze omschrijving: "The design and construction of new biological parts, devices and systems that do not exist in the natural world and also the redesign of existing biological systems to perform specific tasks. Advances in nanoscale technologies – manipulation of matter at the level of atoms and molecules – are contributing to advances in synthetic biology."
Vertaald is dat het volgende: "Het ontwerpen en bouwen van nieuwe biologische onderdelen, apparaten en systemen die niet in de natuur voorkomen alsmede het herontwerpen van bestaande biologische systemen om specifieke taken te verrichten. Vooruitgang in technologieën op nanoschaal - manipulatie van materialen op atoom- en molecuulniveau - dragen bij aan vooruitgang binnen de synthetische biologie." (https://nl.wikipedia.org/wiki/Synthetische_biologie)
Greenpeace-campagneleider over gentechnologie Herman van Bekkem vindt dat we voorzichtig moeten omgaan met nieuwe technieken als synthetische biologie: “Als mensen bacteriën gaan herontwerpen, moet dat veilig gebeuren. Er moet honderd procent garantie zijn dat een synthetische bacterie niet in het milieu terecht kan komen.”
Volgens Ron Fouchier, viroloog en medeauteur van het recent verschenen veiligheidsrapport over synthetische biologie door de Commissie Genetische Modificatie (COGEM) is dat onjuist. “Natuurlijk kun je geen enkele gebeurtenis honderd procent uitsluiten.” Maar volgens de viroloog valt goed in te schatten hoe groot de kans is dat een bacterie ontsnapt en wat er zal gebeuren als het organisme in het milieu belandt (www.kennislink.nl/publicaties/bacterien-aan-de-riem).
Het onderscheid tussen bestaand levend verbouwen en nieuw leven maken - een volledig nieuw organisme - is belangrijk. Behalve de ETC Group brengt ook het Rathenau Instituut deze scheiding aan. Wetenschappers zijn al volop bezig met het verbouwen van cellen, terwijl het van tweede begrip, leven maken, nog nauwelijks sprake is. Synthetisch biologen zijn daar nog maar net aan begonnen. Volgens een interview met de Deense wetenschapper Steen Rasmussen, hoeven we een kunstmatige cel voorlopig niet te verwachten. Rasmussen wil op het Amerikaanse Los Alamos National Laboratory aan een kunstmatige, levende cel bouwen: die noemt hij de 'protocell' ...Er zijn meer initiatieven. Zo zegt synthetisch bioloog Craig Venter in de New Scientist een bacterie te willen ontwerpen die de wereld op een schone manier van energie voorziet (https://nl.wikipedia.org/wiki/Synthetische_biologie).
(zie ook www.kennislink.nl/publicaties/de-tweede-oorsprong-van-leven)
In 2010 verscheen een historische publicatie in het Amerikaanse wetenschappelijke tijdschrift Science.... In deze publicatie lieten onderzoekers uit het laboratorium van de Amerikaanse wetenschapper Craig Venter zien hoe het gehele erfelijke materiaal van een bacterie door machines kon worden gesynthetiseerd en vervolgens kon worden geassembleerd. Het bleek zelfs mogelijk om het natuurlijke DNA van een bacterie te vervangen door dit synthetische genoom. Deze studie betekende een mijlpaal in de synthetische biologie omdat de vervanging van alle genetische informatie van een levende cel niet eerder was aangetoond (blz. 31 , Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM) ).
J. Craig Venter, mede-ontrafelaar van het menselijke genoom, heeft zich op de synthese van nieuw leven gestort. In 2007 kondigde hij met veel aplomb aan dat zijn instituut een chromosoom van de bacterie Mycoplasma genitalium had gesynthetiseerd. In augustus 2009 meldde het instituut dat het een met behulp van een gist ‘gebouwd’ chromosoom van Mycoplasma mycoides, een familielid van M. genitalium, had overgeplant in M. capricolum. Ondertussen, medio 2010, heeft Venter het voor elkaar: de ‘nieuwe’ bacterie JCV0.2 is geboren...Teer punt blijft dat Venter het nagebouwde chromosoom niet geheel chemisch heeft gemaakt, maar dat de DNA-streng in stukjes en beetjes vervaardigd is met hulp van een bacterie, Escherichia coli (bekend uit onze darmflora), en aan elkaar is gelijmd door een gist (Saccharomyces cerevisiae, bekend als bakkersgist en tevens gebruikt voor alcoholische gisting). De volgende stap is het aanbrengen van grootschalige veranderingen in de DNA-code waardoor het ontvangende organisme (de van zijn erfgoed ontdane cel) een aantal nieuwe ‘voorgeprogrammeerde’ functies krijgt. (http://sync.nl/synthetische-biologie-leven-maken-in-stilte/).
De Amerikaanse synthetisch bioloog Craig Venter was de eerste mens wiens genoom volledig is gepubliceerd. “Hij en onderzoekers verbonden aan de Universiteit van Berkeley, MIT en Harvard hebben de term synthetische biologie op de kaart gezet”, zegt Bert Poolman, directeur van het Centrum voor Synthetische Biologie (CSB), hoogleraar biochemie aan de Rijksuniversiteit Groningen (zie www.kennislink.nl/publicaties/klussen-met-beloftes).
In plaats van ‘slechts’ het DNA te bestuderen, is het ook mogelijk om met behulp van vreemd of nieuw DNA cellen allerlei nieuwe dingen te laten doen. Het introduceren van vreemd DNA in andere organismen, ofwel genetische modificatie, wordt al langere tijd gedaan. Het bouwen van complete nieuwe biologische systemen en volledige reactiepaden of het maken van nieuwe levende cellen met behulp van kunstmatige stukken DNA is evenwel een nieuw gebied: de synthetische biologie (www.kennislink.nl/publicaties/van-lezen-naar-schrijven).
Synthetische biologie is het schrijven van DNA (zie www.kennislink.nl/publicaties/wat-is-synthetische-biologie).
Synthetische biologie is een samenkomst van veel verschillende wetenschappen. Eigenlijk bestaat de synthetische biologie in zijn meest simpele vorm al sinds 1972. Toen werd de eerste genetisch aangepaste bacterie in elkaar gezet die het menselijk hormoon insuline maakte (www.kennislink.nl/publicaties/schijnwerpers-op-synthetische-biologie).
Maar goed, dit is geen wetenschapsblog, maar een -inderdaad- bierblog. Gist is belangrijk bij bier en laat gist nu ook bij synthetische biologie een rol spelen en in de schijnwerpers staan....
Antonie van Leeuwenhoek is de eerste geweest die overgist schreef in zijn brief aan de Royal Society in Londen(1684); hij maakte melding van de aanwezigheid van“animalcula” in gefermenteerde mout
...
Gisten zijn eencellige micro-organismen met een grootte van gemiddeld 0,005 tot 0,02 millimeter die niet met het blote oog zichtbaar zijn. Ondanks hun geringe afmetingenspelen gisten al duizenden jaren een belangrijke rol in het leven van de mens.De oudst bekende vorm van “gistgebruik” is de omzetting van granen in bier. De ontdekking van de biergisting is waarschijnlijk op verscheidene plaatsen gedaan, nadat de eerste boeren granen begonnen te verbouwen. Reeds in het Egypte van de farao’s was bier een bestanddeel van het dagelijks voedsel. Archeologisch onderzoek heeft ge-detailleerde beschrijvingen opgeleverd van de manier waarop het graan werd voorbewerkt en vergist. Hier is creatief op ingespeeld door een Britse brouwerij, die enige jaren geleden op grond van die beschrijvingen ‘Toet-Ankh-Amon bier’ op de markt heeft gebracht ....Behalve voor productie van bier en wijn wordt gist ook alvele eeuwen ingezet voor het laten rijzen van brooddeeg.Aanvankelijk werd hiervoor de gist gebruikt die overbleef na de biergisting
(http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
Gisten zijn eencellige mi-cro-organismen. Anders dan bacteriën hebben gistcellen hun DNA in de celkern opgeborgen; dat hebben zij gemeen met planten, dieren en mensen, waardoor zij ingedeeld zijn bij de eukaryote organismen. Gistcellen kunnen zich in tweeën delen net zoals bacteriën; bovendien zijn gistcellen in staat een knop te vormen, die uitgroeit en zich afsplitst.....Gisten behoren tot de schimmels (fungi). Zij zijn ingedeeld bij de ascomyceten, waartoe o.a. de morielje en de truffel behoren, en de basidiomyceten, waartoe o.a. de champignon en de oesterzwam behoren. Bij de ascomyceten worden de cellen voor de sexuele voortplanting (ascospo-ren) inwendig gevormd in een zakvormige cel, de ascus. Bij de basidiomyceten ontstaan die sporen (basidiospo-ren) uitwendig, aan de buitenkant van een knotsvormige cel, het basidium. Hoewel deze beschrijving duidelijk lijkt,valt er in de praktijk het een en ander op af te dingen. Veel gisten vormen namelijk ook korte al dan niet vertakteketens van aan elkaar vastzittende, meestal langwerpige gistcellen (pseudomycelium). Ook zijn veel gisten dimorf, dat wil zeggen dat ze naast ronde gistcellen ook draadvor-mige cellen (hyfen) kunnen vormen. Dit dimorfisme speelt een belangrijke rol bij het ziekteverwekkend effect van allerlei gisten...Behalve vegetatief kunnen veel gisten zich ook nog sexueel voortplanten: in hun le-venscyclus wisselen asexuele en sexuele stadia elkaar af. Bij veel basidiomycete gisten ontstaan na samensmelting van twee gistcel-len hyfen met twee kernen.Het is dan ook niet eenvoudig om bij zo’n diversiteit aan verschijningsvormen ordening aan te brengen. Vanouds heeft men naar uiterlijke kenmerken gekeken(morfologie). De vorm van gistcel-len loopt uiteen van bol, cylinder, nier, maan tot citroen (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
Hoeveel gistsoorten er zijn, is niet bekend. Momenteel zijn ongeveer zevenhonderd gisten als soort erkend. Dit aan-tal zal zeker toenemen, omdat vooral in de tropen veel habitats nog nauwelijks zijn onderzocht (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
In 1921 introduceerde Guilliermond kenmerken voor de identificatie van de gisten, die berus-ten op hun eigenschappen bij de gisting (fermentatie).Deze methode wordt tot op de dag van vandaag nog gebruikt. Het aantal testen is in de loop van de tijd sterk uitgebreid en omvat nu ondermeer fermentatie- en assimi-latieproeven, metingen van de behoeften aan vitamines en van de groei bij verschillende temperaturen. Kluyver ende eerste medewerksters van de gistafdeling van het Centraalbureau voor Schimmelcultures in Delft hebben een grote bijdrage geleverd aan de fysiologische karakte-risatie van gisten; men sprak zelfs wel van “de Delftse school van gistenclassificatie”. Ook de Amerikaanse on-derzoeker Wickerham droeg in belangrijke mate bij tot de standaardisatie van de identificatiemethode.Tot nu toe zijn er meer dan 2300 gistsoorten beschreven,waarvan er ‘slechts’ zo’n 700 worden erkend (p. 16 , http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html). ....vergelijking van sequenties van het ribosomale DNA ten behoeve van de classificatie van gisten. Hieruit blijkt dat men veel nieuwe soorten ten onrechte op grond van fysiologische kenmerken als dezelfde soort heeft beschouwd. Het gevolg is wel dat men deze soorten vaakniet op grond van traditionele fysiologische kenmerken kan indelen. In de derde editie van “The yeasts, a taxono-mic study” (1984) werd bijvoorbeeld de gist S. cerevisae als aparte soort genoemd, maar in de vierde editie uit 1998 worden in plaats daarvan vier soorten, waaronder S.cerevisiae, apart beschreven....egenwoordig kan men gisten niet alleen indelen op grondvan hun uiterlijke kenmerken, maar ook op grond van hun DNA. Het is opmerkelijk dat men gisten zowel bij de groep van de ascomyceten als die van de basidiomyceten heeftingedeeld. De levensvorm ‘gist’ is dus polyphyletisch,d.w.z. is tijdens de evolutie verscheidene keren onafhan-kelijk van elkaar ontstaan. Of anders gezegd: niet allegisten stammen in rechte lijn af van één gemeenschappelijke voorouder (p. 16-17 http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
Gedurende duizenden jaren hebben mensen zonder het te weten gisten gebruikt. De ontdekking van gisten wordt wel toegeschreven aan Antonie van Leeuwenhoek, de Delftse uitvinder van de microscoop, waarmee hij aan het einde van de 17e eeuw allerlei preparaten bekeek. Zijn micro-scopen maakten echter geen gedetailleerde bestudering van gisten mogelijk. De waarneming van regelmatig ge-vormde, onbewegelijke bolletjes in gistend bier en wijnleidde dus aanvankelijk niet tot de overtuiging dat hierinlevende organismen aan het werk waren.Pas in de eerste helft van de 19e eeuw opperde de Franse onderzoeker Cagniard-Latour, die door de verbeterde microscoop veel meer kon zien, dat bier- en wijngisten kleine organismen (micro-organismen) zijn die zich vermenigvuldigen door dochtercellen af te scheiden via knop-vorming. Zijn Duitse collega Schwann legde het verband tussen de vorming van alcohol en kooldioxide in alcoholische dranken en de aanwezigheid van gistcellen. Tevens liet hij zien dat men de spontane gisting die optreedt in druivensap, kan voorkomen door dit sap te verhitten of door er gifstoffen aan toe te voegen. Schwann noemde de gist Zuckerpilz (suikerschimmel, in het Latijn Saccharomyces). Later heeft men deze belangrijke gistsoort,die een rol speelt bij de bereiding van brood, wijn en bier,Saccharomyces cerevisiae genoemd (cerevisia betekentbier in het Latijn)....Pasteur’s onderzoek aan gisten. Toch heeft hij het tientallen jaren durende debat beslecht overde vraag of de alcoholische gisting in wijn en bier een chemisch proces was zonder of met de inbreng van leven-de organismen. Door nauwkeurige metingen liet Pasteur zien dat er tijdens het wijngistingsproces een toename optrad van het gewicht van de gisten en dat deze groei gekoppeld was aan een toename van de hoeveelheid door gist geproduceerde kooldioxide en stikstof.De voorstanders van de gedachte dat wijngisting een chemisch proces was, namen aan dat de vorming van alcohol en kooldioxide het resultaat was van de inwerking van zuurstof uit de lucht. Pasteur toonde echter aan dat gisten ook in de volledige afwezigheid van zuurstof (onder zogenaamd anaërobe condities) in staat waren om een alcoholische gisting uit te voeren.... Al in 1860 toonde de Franse onderzoeker Berthelot aan dat na toevoeging van pure alcohol aan fijngemalen gistcellen “iets” neersloeg dat in staat was om sacharose (riet- of bietsuiker) te splitsen in de twee kleine-re suikers fructose en glucose. Spoedig hierna werd aan-getoond dat extracten van gisten, waarin zich geen intacte gistcellen meer bevonden, in staat waren om allerlei ande-re chemische omzettingen te katalyseren. De hiervoor verantwoordelijke factoren werden enzymen genoemd,wat in het Grieks “in gist ” betekent. Inmiddels is bekend dat enzymen eiwitten zijn die, vaak met een hoge mate van specialisatie, chemische reacties katalyseren.....n de eerste helft van de twintigste eeuw zijn gistcellen veelvuldig gebruikt als modelsysteem voor het ophelderen van de complexe stofwisselingsroutes die een rol spelen bij het koolstof- en energiemetabolisme van cellen. Dit onderzoek resulteerde in 1938 in de volledige opheldering van de route waarlangs gisten suikers omzetten in ethanol en kooldioxide, de zogenaamde glycolyse. Deze route, dieook verantwoordelijk is voor de suikerstofwisseling in veel andere organismen, wordt naar haar ontdekkers ook wel de Embden-Meyerhof route genoemd...Favoriet is nog steeds bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae). ...Gistfabrikanten leveren niet één gist-stam, maar verschillende, afhankelijk van de toepassing.Net zoals er door mensen heel veel verschillende honden-rassen zijn gefokt, zijn er ook heel veel verschillende bakkersgiststammen ontwikkeld. Deze stammen zijn in de loop der jaren in speciale mutatie- en kruisingsprogram-ma’s geselecteerd om een zo goed mogelijk resultaat te geven onder de omstandigheden waaronder zij worden gebruikt. Een stam die voor de productie van gedroogde gist wordt gebruikt, bevat bijvoorbeeld meer trehalose dan verse gist; deze stof bevordert de houdbaarheid en zorgtervoor dat de gistcellen intact blijven, wanneer deze weer in een vochtige omgeving komen en water op gaan nemen.....Gist in de vorm van gistextract wordt als hartige smaakstof toegevoegd aan veel voedingsmiddelen, vooral aan soepen en sauzen (let maar eens op de etiketten).De meeste gistextracten worden gemaakt van speciaal daarvoor gekweekte bakkersgiststammen. Daarnaast maakt men gistextract van biergist die overblijft na het brouwproces; dit gistextract heeft een kaassmaak en wordt veel gebruikt als laagje om allerlei zoutjes.Een andere belangrijke gistsoort is Kluyveromyces lactis . Deze gist maakt het enzym lactase. Mensen, die zelf geen lactase kunnen maken, worden ziek als ze melk drinken omdat ze de suiker lactose in melk niet kunnen verteren. Door lactase toe te voegen aan melk wordt lactose door dit enzym afgebroken tot de enkelvoudige suikers glucose en galactose. Melk die op deze manier lactose-vrij is ge-maakt, is wel wat zoeter. Dat komt, omdat de zoetkracht van met name glucose groter is dan die van lactose (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
Vroeger zorgde de van nature op planten voorkomende gist voor de start van de ‘alcoholvergisting’. Tegenwoordig worden speciaal geselecteerde giststammen gebruikt..... Voor de productie van de talloze biersoorten worden evenzo vele verschillende biergiststammen gebruikt die door de brouwers zorgvuldig in stand gehouden worden om de karakteristieke smaak en geur te kunnen blijven garanderen. Bij de productie van wijn moet men tegenwoordig ook gist toevoegen. Door het veelvuldig gebruik van schimmeldodende middelen is de hoeveelheid gist, die van nature op druiven voorkomt, vaak niet voldoende om op een ‘natuurlijke’ wijze wijn te kunnen maken....Na de bereiding van alcoholische dranken houdt men vaak bier- of wijngist over. Dit komt, omdat gist nog doorgroeit tijdens het vergistingsproces en - behalve bij sommige biersoorten - geen deel uitmaakt van het eindproduct. Meestal wordt de overgebleven gist dan tot veevoer ver-werkt.Een andere gistsoort wordt speciaal gekweekt voor gebruik in diervoer. Zalmen en garnalen worden tegenwoordig op grote schaal gekweekt. Om de gekweekte vis net zo roze te krijgen als hun soortgenoten in het wild moet er voldoende van de kleurstof astaxantine in hun voedsel zitten. Door de vistelers werd aanvankelijk alleen chemisch gesynthetiseerd astaxantine aan het visvoer toege-voegd. Nu wordt steeds vaker de gistsoort Phaffia rhodozyma door het visvoer gemengd.
(http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
Gisten behoren, net als de mens, tot de klasse van ‘eukaryoten’ (organismen met cellen met een kern). Al zijn gisten eencellige organismen, ze hebben wel een vergelijkbare celstructuur als mensen.
Gisten vormen daarmee een goed modelsysteem voor het bestuderen van allerhande cellulaire processen, waaronder DNA-replicatie, celdeling en eiwitafbraak. Opheldering van de volledige DNAvolgorde van mensen (ongeveer 25.000 genen) en gisten (6.000 genen) liet al zien dat bijna de helft van de gistgenen in vergelijkbare vorm bij de mens voorkomt. Ongeveer een kwart van de genen die gerelateerd zijn aan menselijke ziekten komt ook voor in gist (blz. 44 , Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM) ).
In vergelijking met de meeste andere eukaryote cellen hebben gistcellen de unieke eigenschap om zowel adem-haling als fermentatie te kunnen gebruiken voor hun groei.Wanneer gistcellen in contact komen met glucose of ver-gelijkbare snel-fermenteerbare suikers, zullen de voor de zuurstofademhaling verantwoordelijke genen bijna volle-dig uitgeschakeld zijn en worden alle suikers in ethanol enkooldioxide omgezet. Raakt de suiker opgebruikt, dan worden de genen voor de zuurstofademhaling weer aan-gezet en begint de gistcel alcohol om te zetten in kooldioxi-de. De zuurstofademhaling speelt zich af in de mitochon-driën (Krebs-cyclus in de matrix en elektronentransportke-ten op de cristae). Ook de morfologische ontwikkeling vande mitochondriën hangt nauw samen met de aan- of afwezigheid van de zuurstofademhaling...De gistcel is van bijzonder groot nut geweest voor het onderzoek naar de werkingsmechanismen van mi-tochondriën.
(p. 55, http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html)
Alle eukaryote cellen bezitten twee systemen voor de eiwitsynthese: een systeem dat werkt met vrije ribosomen en een systeem dat werkt met ribosomen die tijdelijk aan de membranen van het endoplasmatisch reticulum (E.R.) worden gebonden. Dit laatste systeem vormt het startpuntvan de zogenaamde secretieweg van de cel, alhoewel slechts een deel van de aan het E.R. gesynthetiseerdeeiwitten effectief uitgescheiden wordt. Ook de eiwittenvoor het E.R. zelf, het Golgi-apparaat, de lysosomen en deplasmamembraan worden door de ribosomen aan het E.R. gesynthetiseerd en via de secretieweg naar hun bestem-ming gevoerd. De gist S. cerevisiae heeft ook voor hetontrafelen van deze ‘intracellulaire verkeersweg voor ei-witten’ model gestaan (p. 56, http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html)
Gist heeft zestien chromosomen waarop bij elkaar zesduizend genen liggen. Het team bouwde een kunstmatige versie van het derde chromosoom, die met 316.667 basenparen één van de kleinere is. Ze gebruikten software om meer dan 50.000 kleine veranderingen aan te brengen in de basenvolgorde van het DNA: ze voegden basenparen toe en schrapten herhaalde stukjes DNA die onnodig leken.
Het kostte zeven jaar tijd om alle basenparen aan elkaar te knopen maar uiteindelijk was het er: een kunstmatig chromosoom bestaande uit 273.871 basenparen. Dat is aanmerkelijk korter dan het oorspronkelijke chromosoom. Gist blijkt een aanzienlijk deel van zijn genetische code niet nodig te hebben om te verdubbelen en te groeien (www.kennislink.nl/publicaties/gist-krijgt-designer-chromosoom, www.nrc.nl/handelsblad/2014/03/28/gist-met-kunstchromosoom-is-nieuwe-stap-in-biotech-1363406). Een uitvoerige computerananalyse van het complete gist-genoom onthulde enkele opmerkelijke feiten. Door syste-matisch de sequentie van gistchromosomen met elkaar tevergelijken (in fragmenten van 25.000 baseparen) bleekdat in de loop van de evolutionaire ontwikkeling van S.cerevisiae 53 gebieden van het gistgenoom (verspreidvoorkomend over alle chromosomen) zijn gedupliceerd.Niet meegerekend zijn de bekende herhalingen aan hetuiteinde van een chromosoom: de telomeren. Dit houdt indat ongeveer 30 procent van de genen is gedupliceerd (p. 45, http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
De aan- of afwezigheid van zuurstof is dus een belangrijkefactor bij de regeling van alcoholische gisting en ademha-ling. Immers, als zuurstof niet in voldoende mate beschik-baar is, is ademhaling niet mogelijk en kunnen gisten alleen in hun behoefte aan energie voorzien door alcoho-lische fermentatie.De meeste van de ongeveer zevenhonderd bekende gist-soorten zijn zowel in staat tot ademhaling als tot alcoholi-sche fermentatie. In principe zijn ze dus niet afhankelijk van de aanwezigheid van zuurstof voor het maken van ATP. Toch is er maar één gist bekend die snel kan groeien verdubbelingstijd van ongeveer twee uur) in de volledige afwezigheid van zuurstof. Deze uitzondering is de gist-soort S. cerevisiae. Het vermogen om zich in een volledig zuurstofloze omgeving te kunnen handhaven verklaart waarschijnlijk mede waarom stammen van deze gist ook in spontane wijnfermentaties de overhand krijgen; als ande-re gisten de zuurstof hebben opgebruikt, kan S. cerevisiae nog stevig doorgroeien.De meeste niet-Saccharomyces gisten hebben slechts spoortjes zuurstof nodig om snel te kunnen groeien, omdat hun behoefte aan ATP vrijwel volledig wordt gedekt door alcoholische fermentatie. Waarschijnlijk hebben deze gis-ten een minimale hoeveelheid zuurstof nodig als een soort“vitamine” voor de aanmaak van bepaalde bestanddelen van hun cellen.Gezien de hogere opbrengst aan ATP van de ademhaling lijkt de verwachting gerechtvaardigd, dat gisten in aanwe-zigheid van voldoende zuurstof geen alcoholische fer-mentatie zullen vertonen.
nderdaad zijn er veel gisten die alleen onder zuurstofbeperkende omstandigheden over-gaan tot alcoholische gisting. Er zijn echter enkele belang-rijke uitzonderingen op deze regel. Bepaalde gistsoorten,waaronder S. cerevisiae, maken ook in aanwezigheid van zuurstof ethanol. De gist S. cerevisiae doet dit bij hoge suikerconcentraties en bij hoge groeisnelheden. Blijkbaar kunnen de mitochondriën onder deze condities NADH enpyruvaat uit de glycolyse niet voldoende snel verademenen schakelt de gist gedeeltelijk over op alcoholische gis-ting om in zijn behoefte aan energie te voorzien. Dit fenomeen wordt wel het Crabtree-effect genoemd, naar een Engelse wetenschapper die in de jaren twintig onder-zoek deed naar melkzuurfermentatie door tumorcellen van de mens. Het Crabtree-effect heeft een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van de technologie voor het op industriële schaal kweken van gisten (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
De levenscyclus van de bakkersgist Saccharomyces cere-visiae bijvoorbeeld is een zogenaamde diplontische cy-clus: in de ascus vindt versmelting plaats tussen twee haploïde ascosporen tot diploïde ascosporen, die na kie-ming uitgroeien tot een diploïde gist. Een alternatieve route is dat er in de vier haploïde ascosporen eerst een celdeling (mitose) plaats vindt, gevolgd door versmelting van beide dochterkernen. Hierdoor ontstaan dan vier di-ploïde ascosporen per ascus. Door de vier haploïde as-cosporen uit de ascus te halen, krijgt men haploïde gist-stammen, die verschillen in “mating type”: MAT αen MATa. De MAT a-cel vormt een peptide van tien aminozuren,de a-factor, maar bezit een receptor voor de α-factor van het andere celtype, terwijl dit bij de MATα-cel omgekeerd is. Beide peptiden remmen de start van de celcyclus van het andere celtype. A- en α-cellen met respectievelijk aanhun receptor gebonden α- en a-factoren zijn in staat te conjugeren: de cellen worden langwerpiger en de celwan-den elastischer, er vindt vorming van de conjugatiebuis plaats, gevolgd door migratie van de kernen naar het centrum van de conjugatiebuis; tenslotte versmelten de kernen (karyogamie), waardoor een diploide α/a cel ont-staat. Alleen deze α/a cellen zijn in staat tot de vorming van ascosporen. Na de meiose ontstaan aanvankelijk vier haploïde ascosporen, die twee aan twee versmelten, enz. (p. 18, http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
De sterke fermentatie-activiteit van gist oefende op de eerste biochemici een sterke aantrekkingskracht uit. In de gistcel konden zij de chemische reacties identificeren die voor de omzetting van suiker in alcohol en kooldioxide verantwoordelijk zijn. Deze studies leidden tot de ophelde-ring van de glycolyse, de oudste en meest centrale weg inde stofwisseling, en de daarop aansluitende fermentatie-reacties. Deze opheldering vormde de start van de car-rière van gist als onderzoeksmodel.De volgende essentiële stimulans kwam van de genetica.Gist is - genetisch gezien - een zeer bijzonder organisme.Gistcellen kunnen zich evengoed vermenigvuldigen in haploïde als in diploïde vorm en de overgang van de haploïde vormen (met paringstype a en α) naar de diploïdevorm kan op zeer eenvoudige wijze door de onderzoeker teweeggebracht worden. De diploïde cellen kunnen ook zeer gemakkelijk tot de vorming van sporen (sporulatie)worden aangezet, waarbij de cellen meiose ondergaan en vier haploïde ascosporen vormen in één ascus. Deze ascosporen blijven gewoonlijk samen in één ascus zitten,maar kunnen daar door de onderzoeker gemakkelijk één voor één uit worden geïsoleerd. Deze techniek wordt bij gist tetradenanalyse genoemd (p. 49 en 50, http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
De industrieel bereide bakkersgist behoort tot de soort Saccharomyces cerevisiae. Deze gist wordt ge-kweekt in een apparaat (fermentor), dat een suikerhou-dende vloeistof bevat waar lucht doorheen wordt gebla-zen. Door deze aerobe omstandigheden wordt een gun-stig rendement aan energie en celgroei behaald, althans zolang de suikers worden omgezet via de ademhaling.Voorwaarde is dan echter dat de suikerconcentratie zo laag blijft, dat het Crabtree effect niet optreedt. Want bij de aerobe gisting wordt een deel van de suikers omgezet in alcohol. Bij het kweken van gist is alcohol een ongewenst product, omdat er minder energie beschikbaar komt voor de aanmaak van nieuwe gistcellen.Om vermindering van de gistopbrengst te voorko-men wordt een zg. “fed-batch” kweekmethode toegepast,waarbij de suiker gedoseerd wordt toegevoerd; de suiker-toevoer wordt aangepast aan de toename van de gistcel-len. Omdat bij de ademhaling (omzetting van suiker in kooldioxide en water) ook flink wat warmte vrijkomt, moet de fermentor bovendien worden gekoeld. Voor een groot-schalige vermeerdering van gist moeten diverse condities,zoals suikerconcentratie, luchtdoorvoer en koeling, goed op elkaar zijn afgestemd (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
Gistcellen worden omgeven door een plasmamembraanen een celwand. Het plasmamembraan, dat bestaat uiteen dubbellaag van verbindingen met vetzuurketens (lipi-den), is in principe niet doorlaatbaar voor suikers. Het plasmamembraan bevat daarom diverse transporteiwitten die de opname van suikers door gistcellen mogelijk ma-ken. Behalve met enkelvoudige suikers, zoals glucose enfructose, kunnen veel gisten zich voeden met verbindin-gen van twee enkelvoudige suikers (disachariden)....Disachariden moeten, voordat ze door gistcellen als kool-stof- en energiebron gebruikt kunnen worden, eerst wor-den gesplitst in enkelvoudige suikers. De enzymen dievoor deze splitsing zorgen, kunnen zich zowel binnen als buiten de gistcel bevinden. In het eerste geval worden de disachariden via speciale transporteiwitten door het plas-mamembraan heen getransporteerd om vervolgens in de cel gesplitst te worden door een enzym. Dit gebeurt onder andere bij de omzetting van maltose door bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae) (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html)
Brouwerijen houden zorgvuldig hun bedrijfsgist (speciale stammen van de gistsoort S. cerevisiae) in ere om het gewenste karakteristieke bier te produceren.Tijdens de vergisting ontstaan namelijk niet alleen ethanolen kooldioxide (beide vanouds essentieel voor het bier),maar ook allerhande bijproducten die aan bier een al dan niet gewenste smaak verlenen. Diacetyl (2,3 butaandion)bijvoorbeeld, met het aroma van boter, heeft reeds in lage concentratie invloed op de smaak van het pas gebrouwen bier. Wanneer de gist tijdens de lagering echter lang genoeg in contact blijft met het bier, wordt deze smaak-bederver door gistenzymen afgebroken tot minder waar-neembare verbindingen, zoals bijvoorbeeld 2,3-butaan-diol. Dimethylsulfide, in concentraties lager dan 0,1 milli-gram per liter, levert een bijdrage aan de karakteristieke smaak van sommige bieren.Als belangrijke aromacomponenten treden in bier ook esters op, zoals ethylacetaat en iso-amylacetaat. Een bijzonder geval is het geuzebier (lambiek) uit de omgeving van Brussel. Dit werd traditioneel niet gebrou-wen met een reincultuur, maar verliep volgens een ‘wilde’gisting. Daarbij daalden bacteriën en gisten uit de lucht inde wort, die behalve alcohol ook melkzuur en azijnzuur maken. Door enzymen in de gist Brettanomyces kunnen deze zuren aan ethanol worden gekoppeld, waarbij esters ontstaan zoals ethyllactaat en ethylacetaat. Het risico van zo’n wilde gisting is dat ook ongewenste bacteriën uit de lucht komen vallen, die zwavelwaterstof (rottingsgeur) of boterzuur (ranzige smaak) maken. Stoffen, die reeds in zeer kleine hoeveelheden de smaak van bier bederven.Als men gist in de kou zet, ontstaat “alcoholvrij” bier met minder dan 1 procent alcohol. Door de wort bij 1 graad Celsius te vergisten, krijgt men echter niet alleen weinig alcohol, maar ook weinig aromastoffen. Bovendien blijft in het bier de onaangename smaak merkbaar van methional, een verbinding uit de wort die tijdens de biergisting bij normale temperatuur (8-14 graden Celsius) zou zijn afge-broken.Tenslotte moet een goede biergist het vermogen hebben om aan het eind van het brouwproces te flocculeren (de gistcellen hechten zich aan elkaar en bezinken samen,zodat men ze makkelijk van de vloeistof kan scheiden). De overtollig geworden gist, met hopsmaak, kan worden ver-werkt in veevoer of in biergisttabletten.Bij de alcoholische gisting ontstaat per kilogram ethanol tevens 0,95 kilogram kooldioxide. Dit gas kan in een gesloten productiesysteem voor ongeveer 75 procent wor-den teruggewonnen om later bij het gepasteuriseerde bier in de fles te worden teruggeperst. Het kan ook worden gebruikt voor de productie van andere koolzuurhoudende dranken of als brandblusmiddel worden toegepast (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
Gisten behoren, net als de mens, tot de klasse van ‘eukaryoten’ (organismen met cellen met een kern). Al zijn gisten eencellige organismen, ze hebben wel een vergelijkbare celstructuur als mensen. Gisten vormen daarmee een goed modelsysteem voor het bestuderen van allerhande cellulaire processen, waaronder DNA-replicatie, celdeling en eiwitafbraak. Opheldering van de volledige DNA-volgorde van mensen (ongeveer 25.000 genen) en gisten (6.000 genen) liet al zien dat bijna de helft van de gistgenen in vergelijkbare vorm bij de mens voorkomt. Ongeveer een kwart van de genen die gerelateerd zijn aan menselijke ziekten komt ook voor in gist. Bovendien zijn gisten makkelijk te kweken in een laboratorium en zijn ze eenvoudig genetisch te manipuleren en te analyseren. Ze vormen daarmee een goed modelorganisme. Vooral de hoge groeisnelheid – gisten delen elke 2 tot 3 uur – maakt het mogelijk om bijvoorbeeld verouderingsprocessen te bestuderen over vele generaties.
De mogelijkheid om in gist eenvoudig enkele of meerdere genen te verwijderen of manipuleren met behulp van synthetisch biologische technieken, heeft veel bijgedragen aan het begrijpen van cellulaire processen. Zo is er een collectie beschikbaar van ongeveer 5.000 bakkersgiststammen, waarin alle niet-essentiële genen zijn verwijderd.....Omdat gisten makkelijk te kweken zijn, kunnen er grote aantallen experimenten tegelijk worden uitgevoerd. Dergelijke high-throughput screening wordt routinematig gebruikt om het effect van (mogelijke) medicijnen en andere kleine moleculen op bepaalde cellulaire processen te bestuderen, bijvoorbeeld in stammen waarin een bepaalde functie is uitgeschakeld of veranderd. Op deze manier hopen wetenschappers nieuwe medicijnen te identificeren. Er zit ook een nadeel aan deze methode. Van nature werkt gist veel medicijnen actief de cel uit, waardoor ze weinig effect hebben op de gistcel. Om dit te omzeilen zijn giststammen gemaakt waarin de twee belangrijkste eiwitten verantwoordelijk voor export van medicijnen (Pdr5 en Snq2) zijn uitgeschakeld. Daarnaast zijn stammen geconstrueerd zonder het gen ERG6, waardoor hun membraan beter doorlaatbaar is geworden voor medicijnen. Deze synthetische giststammen blijken beter geschikt voor high-throughput screening (www.kennislink.nl/publicaties/gist-als-proefkonijn-bij-medicijnontwikkeling) (zie ook blz. 18 en 44/45, Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM) ).
Ook bij biergist kan men door genetische modificatieproduct- en procesverbeteringen eenvoudiger en snellerrealiseren. Voorbeeld: de belangrijkste snelheidsbeper-kende stap tijdens de productie van licht bier (pils) is het zogenaamde lageren, waarbij het bier gedurende acht tot twaalf weken gekoeld moet worden om de smaakbedervende stof diacetyl door een gistenzym te laten afbreken.Dat duurt zolang, omdat biergist van nature weinig van dit enzym bevat. Diverse bierproducenten laten nu een gene-tisch gemodificeerde biergiststam met meer enzym ontwikkelen. Hierdoor kan het lageringsproces naar verwachting drastisch worden bekort, waardoor niet alleen de kosten van opslag lager worden, maar vooral veel bespaard wordt op energie voor koeling (kostenverlagend en milieuvriendelijk). Eveneens in Groot-Brittannië is door de autoriteiten een genetisch gemodificeerde biergist goedgekeurd, die meer suikers in de wort kan verwerken. Ook deze gist is om de...door de bierproducenten niet met open armen ontvangen..omdat zij niet het risico willen lopen onderwerp te worden van een mediacampagne door actiegroepen tegen het gebruik van genetische modificatie bij voedingsmiddelen (http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
micro-organismen worden gemaakt, kunnen worden gebruikt als vervanging van producten die we nu uit aardolie maken. Dit idee is bepaald niet nieuw. Ethanol, dezelfde alcohol die in wijn en bier voorkomt, werd al in de vorige eeuw gemaakt door suikers, bijvoorbeeld uit maïszetmeel, te laten vergisten door bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae). De ethanol werd vervolgens uit de gekweekte vloeistof gedestilleerd. Ethanol is een uitstekende autobrandstof gebleken. De eerste modellen van de T-Ford reden aan het begin van de twintigste eeuw dan ook op de biobrandstof ethanol.
Ook twee andere vroege biotechnologische productieprocessen werden aan het begin van de twintigste eeuw ontdekt. De Duitse biochemicus Carl Neuberg ontdekte hoe toevoeging van sulfiet aan een cultuur van bakkersgist leidde tot de productie van glycerol. Met dit proces werd tijdens de Eerste Wereldoorlog glycerol gemaakt als grondstof voor de springstof nitroglycerine. Vrijwel tegelijkertijd ontdekte Chaim Weizmann, de latere Israëlische president die toen als chemicus in Engeland werkte, hoe de bacterie Clostridium kon worden gebruikt voor het maken van aceton (blz. 24/25, Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM)) het maken van tweede generatie biobrandstoffen kan dus met gist (www.easac.eu/fileadmin/Reports/Synthetische_Biologie_een_inleiding_-_Dutch_version.pdf).
Biochemistry was launched by German chemist Carl Alexander Neuberg (father of Biochemistry) in 1903.Biochemistry in broad terms is the study of the chemical composition of the living cell and the biochemical processes that underlie life activities during growth and maintenance. Biochemistry is the study of chemical processes in living organisms, but not limited to, living matter (http://bio-chem.yolasite.com/).
Carl Alexander Neuberg (1877–1956) was an early pioneer in biochemistry, and he is often referred to as the "father of modern biochemistry". His notable contribution to science includes the discovery of the carboxylase and the elucidation of alcoholic fermentation which he showed to be a process of successive enzymatic steps, an understanding that became crucial as to how metabolic pathways would be investigated by later researchers....Due to his Jewish origin, Neuberg was forced by the Nazis to end his work at the Kaiser Wilhelm Institute for Biochemistry in 1936 and he left Germany in 1937 (https://en.wikipedia.org/wiki/Carl_Neuberg).
in 1897, Eduard Buchner achieved fermentation by cell-free extracts, making it practicable to study the biochemistry of fermentation in vitro...After Buchner’s success with fermentation by cellfree
yeast extracts in the first years of the twentieth century, it was deemed necessary to find out how, if
at all, such fermentation differed from that by intact living cells. Using brewing yeasts, three kinds of
cell-free preparation that ferment sugars were used quite widely: (i) Buchner’s ‘zymase’ was made
by grinding the yeast mixed with quartz sand and kieselguhr; (ii) in 1900 Robert Albert16 prepared
‘Zymin’ by repeatedly treating yeast with acetone, (iii) a product was obtained by macerating
dried yeast; this preparation was called Lebedew juice, for example by Maurice Ingram. ...In 1911, Harden reported that living yeast (intact cells) ferments glucose ‘forty times as quickly’ as
yeast juice (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/yea.986/pdf).
Harden published most of his outstanding work on fermentation by English top yeasts and in collaboration with William Young.31 Adding glucose to yeast juice initiated fermentation which
soon ceased; but adding inorganic phosphate set it going again....Harden and Young made another seminal finding: that glucose fermentation depended on the presence of a heat-stable, dialysable material in their yeast extracts (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/yea.986/pdf).
Arthur Harden (1865–1940)
Arthur Harden (1865–1940) and von Euler-Chelpin shared the Nobel Prize for chemistry in 1929 for
their work on fermentation (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/yea.986/pdf).
Hans Karl August Simon von Euler-Chelpin (1873–1964), who published as H. von Euler, was, like Harden, a polymath of great versatility. He studied painting at the Munich Academy and then physics in Berlin under Max Planck and organic chemistry under Emil Fischer... yet von Euler served in the German armed forces in World War I and later, evidently unmoved by Hitlerism, as a German diplomat during World War II. In 1929, he shared the Nobel prize in chemistry with Harden for work on fermentation (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/yea.986/pdf).
De Duitse wetenschapper Neuberg leverde tus-sen 1910 en 1920 enkele belangrijke bijdragen aan de opheldering van de glycolyse in gistcellen.Hij was de eerste die vaststelde dat de stoffen pyruvaat en aceetaldehyde tussenproducten zijn van de alcoholproductie door gistcellen. Tijdens zijn onderzoek aan alcoholische gisting vond Neuberg dat toevoeging van sulfiet aan gistcultures leidde tot de ophoping van de stof glycerol, ook wel glycerine genoemd. Gistcellen produceren van na-ture al glycerol. Dit is goed zichtbaar wanneer men wijn langs de wand van een glas laat glijden: de langzaam teruglopende vloeistoffilm is het gevolgv an de aanwezigheid van glycerol.
Na toevoeging van sulfiet kunnen gistcellen zelfs zo’n 30 tot 35 procent van de suiker in glycerol omgezetten.Het onderzoek van Neuberg was niet alleen van we-tenschappelijk belang. Tijdens de Eerste Wereldoor-log ontstond in Duitsland een tekort aan glycerol als grondstof voor de productie van de springstof nitroglyce-rine. Neuberg’s sulfietproces is in deze periode op grote schaal ingezet voor de industriële productie van glycerol. Aldus maakten gisten na millennia van vreedzame toepas-sing bij de bereiding van bier, wijn en brood hun debuut in de oorlogsindustrie (p. 24 http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
After the war, this method of producing glycerol by fermentation could not, however, compete
with the usual commercial production. Until after World War II, most glycerol was obtained as a byproduct of soap manufacture or from hydrolysing fats or oils (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/yea.986/pdf).
By the early 1930s, all the enzymes of alcoholic fermentation had been named and their reactions
described, largely by the work of Harden, Neuberg, Meyerhof, Embden, Parnas and Lohmann. But
none of these enzymes had been crystallized until Erwin Negelein69 and Hans Wulff first crystallized
alcohol dehydrogenase from yeast in 1937 (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/yea.986/pdf).
Het aloude bakkersgist is nu ook een hoofdrolspeler in de moderne biotechnologie (blz. 31 , Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM)).
Industrial biotechnology is a rapidly growing field. With the increasing shift towards a bio-based economy, there is rising demand for developing efficient cell factories that can produce fuels, chemicals, pharmaceuticals, materials, nutraceuticals, and even food ingredients. The yeast Saccharomyces cerevisiae is extremely well suited for this objective (http://femsyr.oxfordjournals.org/content/8/1/122).
Om ...concurrentie om grondstoffen tussen voedsel- en biobrandstofproductie (food versus fuel) tegen te gaan, is het belangrijk om relatief waardeloze reststromen uit de landbouw, zoals stro, maïsloof of suikerbietenpulp om te zetten in ethanol. In die reststromen bevinden zich echter suikers zoals xylose en arabinose, die niet door bakkersgist kunnen worden omgezet. Door het inbouwen van genen uit een schimmel en een melkzuurbacterie, en door het verhogen van de activiteit van een aantal gistgenen, ontwikkelden onderzoekers aan de TU Delft gistvarianten die zowel xylose als arabinose efficiënt kunnen omzetten in ethanol.
Het Nederlandse bedrijf DSM heeft deze technologie verder ontwikkeld en, samen met een Amerikaanse partner, een grote fabriek in Iowa gebouwd waarin deze gistvariant wordt gebruikt om ethanol te maken uit reststromen van maïs. Deze fabriek is in september 2014 geopend door Koning Willem-Alexander en zal zo’n 80 miljoen liter ethanol per jaar gaan produceren (blz. 29/30, Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM)).
Saccharomyces cerevisiae, oftewel bakkersgist, is één van de best bestudeerde organismen op aarde. Het eencellige organisme assisteert bij het maken van onder andere bier, brood, biobrandstof en medicijnen (www.kennislink.nl/publicaties/gist-krijgt-designer-chromosoom).
Bakkersgist (S. cerevisiae) was de eerste gist die toegan-kelijk is gemaakt voor genetische modificatie. Deze door-braak is al in 1978 gerealiseerd door de Engelse onder-zoekster Jean Beggs. Kort daarna toonden onderzoekers van het Amerikaanse bedrijf Genentech aan dat deze gistook daadwerkelijk eiwitten van andere organismen kon maken en zelfs uitscheiden.
Eén van de eerste eiwitten was het Hepatitis B oppervlakte antigen. Dit eiwit is later gebruikt voor de ontwikkeling van een vaccin. Voor gene-tische modificatie is het een groot voordeel dat de gist S.cerevisiae over een eigen plasmide - cirkelvormig DNA buiten de celkern - beschikt, dat in een groot aantal kopieën (hoog kopiegetal) in de gistcel voorkomt. Dit betekent dat de op het plasmide aanwezige genen in veelvoud aanwezig zijn, wat leidt tot meer boodschapper-RNA; dit op zijn beurt geeft optimale vooruitzichten voor een hoge eiwitsynthese.....Bakkersgist kreeg al spoedig concurrentie van andere gisten voor de synthese van soortsvreemde (heterologe)eiwitten. Dit is minder voor de hand liggend dan het op het eerste gezicht lijkt. Voor elke gist afzonderlijk moet name-lijk weer een aparte moleculair-biologische “gereed-schapskist” ontwikkeld worden....Een van de eerste gisten die S. cerevisiae concurrentie aandeed, was de melkgist Kluyveromyces lactis. Onder-zoekers van Gist-brocades (tegenwoordig DSM) en het Amerikaanse bedrijf Chiron vonden dat deze melkgist veelbeter in staat was het enzym chymosine te maken dan S.cerevisiae. Het is niet helemaal duidelijk waarom dit zo is (p. 35, http://docplayer.nl/4354127-Gist-cahiers-bio-wetenschappen-en-maatschappij-c-p-van-der-beek-en-p-osseweijer-t-boekhout-j-t-pronk-w-a-scheffers-a-j-j-van-ooyen-r-j.html).
De synthese van het hormonale geneesmiddel hydrocortison uit glucose kan met gist (zie www.easac.eu/fileadmin/Reports/Synthetische_Biologie_een_inleiding_-_Dutch_version.pdf)
Bij Bolt Draden, wordt met genetisch gemanipuleerde gist zijde gemaakt uit eiwitten die kunnen worden gesponnen tot vezels (http://allcompanies.website/2015/09/21/bout-threads-hoopt-genetisch-gemanipuleerde-gist-kan-churn-out-veelzijdige-vezels-voor-kleding-van-de-toekomst/).
Sinds 2005 werken wetenschappers van het Californische biotechnologiebedrijf Amyris aan de microbiële productie van artemisinine. Ze doen dat op basis van eerder onderzoek van de Berkeley Universiteit en ze worden in hun werk financieel gesteund door een beurs van het Bill & Melinda Gates fonds....Omdat er geen micro-organismen bekend zijn die artemisinezuur produceren, is eerst een micro-organisme ‘omgebouwd’ met behulp van synthetische biologie. Hiertoe zijn de genen die in de zomeralsem plant verantwoordelijk zijn voor de vorming van artemisinezuur, geïntroduceerd in Saccharomyces cerevisiae. Dit bakkersgist staat sinds het begin van de genetische modificatie bekend als een organisme dat eenvoudig is te modificeren....Introductie van ... geoptimaliseerde plantengenen heeft inmiddels geresulteerd in de productie van artemisinezuur door bakkersgist. Met behulp van synthetische biologie is het dus mogelijk om een stof die normaliter alleen door planten wordt gemaakt, te produceren in een bioreactor vol genetisch gemodificeerde gistcellen met voornamelijk suiker als bouwstof (http://www.kennislink.nl/publicaties/synthetische-biologie-tegen-malaria). (www.easac.eu/fileadmin/Reports/Synthetische_Biologie_een_inleiding_
-_Dutch_version.pdf, zie ook blz. 17 en 42 , Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM) ).
The company utilizes Brazilian sugarcane as a primary feedstock in order to feed its yeast in large conventional fermentation vessels (http://seekingalpha.com/article/3579146-growth-comes-at-a-price-for-investors-of-amyris).
[In 2008] werd in de kranten het ingenieurswerk van Jack Pronk in één adem met synthetische biologie genoemd. De hoogleraar microbiologie aan TU Delft verbouwde bakkersgist met genen die in hij olifantenpoep vond: daarmee kan de gist nu ook plantenresten afbreken tot de biobrandstof ethanol (www.kennislink.nl/publicaties/klussen-met-beloftes).
Hansenula polymorpha (Ogataea polymorpha) is a methylotrophic yeast that can utilize methanol as the sole carbon source. During growth on methanol several peroxisomal enzymes are dramatically induced like alcohol oxidase (AOX), dihydroxyacetone synthase (DHAS) and catalase (CAT). Peroxisomes are highly dynamic organelles that can vary in size and number depending on the carbon source. When grown on glucose, conditions which do not require peroxisomal metabolic pathways, H. polymorpha generally contains a single small peroxisome per cell. However, on methanol H. polymorpha cells proliferate their peroxisomes and these organelles will increase in size (www.rug.nl/research/molecular-cell-biology/research/the-hansenula-polymorpha-expression-system).
In 2009 is het Groningse wetenschappers gelukt om de gist Hansenula polymorpha via synthetische
biologie te ‘herprogrammeren’ om penicilline te produceren. Ze introduceerden daarvoor de genen
uit Penicillium chrysogenum in de gist. Het werd een belangrijk proof of principle (zie ook blz. 41 , Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen
en Maatschappij (BWM) ). De vorming van penicilline bleek vergelijkbaar met de originele geïsoleerde Penicillium chrysogenum. Verdere optimalisatie is nog vereist voordat allerhande alternatieve antibiotica op grote schaal kunnen worden geproduceerd...Gebaseerd op de kennis van verbeterde penicillineproductie in P. chrysogenum, kunnen we gisten en bacteriën nu relatief eenvoudig ‘herprogrammeren’ tot penicillineproducenten (www.kennislink.nl/publicaties/synthetische-biologie-in-de-geneeskunde).
Ruim tien jaar geleden [in 2005] slaagden wetenschappers erin om bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae) aan te zetten tot de productie van artemisininezuur, de werkzame stof uit het anti-malariamiddel artemisinine. Inmiddels wordt een derde van de wereldwijde vraag naar artemisinine gemaakt met behulp van gist. Dat succesverhaal was voor synthetisch biologe Christina Smolke de aanleiding om op zoek te gaan naar een giststam die pijnstillers kan maken....Wetenschappers van de Stanford School of Engineering maakten giststammen die suiker om kunnen zetten in zulke [pijnstillende] stoffen. Daarmee is de productie van pijnstillers in de toekomst niet langer afhankelijk van een goede plantenoogst.
Waren destijds voor de productie van artemisinine slechts een handjevol genen nodig, om pijnstillers te kunnen maken moest de gist op 21 tot 23 plaatsen worden aangepast. Daarmee is het de meest complexe chemische synthese die tot nu toe werd uitgevoerd in gist.
Smolke voegde genen toe van verschillende papaverplanten, de rat en de Pseudonomas bacterie. Al die nieuwe genen coderen voor enzymen die de gistcellen in staat stellen om suiker om te zetten in thebaïne, een belangrijke grondstof van veel pijnstillers, of de pijnstillende stof hydrocodon. Bron:
Stephanie Galanie e.a. Complete biosynthesis of opioids in yeast Science 10.1126, 13 augustus 2015 (online), doi:10.1126/science.aac9373 (www.kennislink.nl/publicaties/gist-maakt-pijnstillers).
De eerste ‘biotech insuline’ kwam in 1982 op de markt. Sindsdien wordt alle insuline geproduceerd
met behulp van genetisch gemodificeerde Escherichia coli of met hulp van de gist Saccharomyces
cerevisiae. (blz. 41 , Synthetische biologie, Cahier 4 | 2014 | 33e jaargang, Stichting Biowetenschappen en Maatschappij (BWM)).
Andere voorbeelden van metabolische ‘engineering’ zijn: de productie van het antikankermiddel taxol in de gist Saccharomyces cerevisiae; (www.easac.eu/fileadmin/Reports/
Synthetische_Biologie_een_inleiding_-_Dutch_version.pdf)
Synthetisch biologen van de Universiteit van Californië hebben een nieuwe manier gevonden om met behulp van micro-organismen benzine te maken. ...De onderzoekers namen een gistcel en stopten daar een gen in van de zoutwaterplant batis. Men koos voor dat gen omdat het codeert voor een enzym dat cellulose heel efficiënt omzet in methyl halides - een soort organische halffabricaten. En deze methyl halides kunnen weer vrij eenvoudig worden omgezet in koolwaterstoffen zoals die ook in benzine zitten. Alleen, je kunt dat gist niet zomaar cellulose voorzetten, daar kan het niks mee. Gelukkig werd de helpende hand uitgestoken door een exotische bacterie, in de jaren '80 opgedoken in een Franse vuilnisbelt. Die bacterie kan cellulose omzetten in acetaat. En daar kan de gist wél mee uit de voeten. Door het gist en de bacterie nu bij elkaar te stoppen hebben die mensen daar in Californië een ingenieuze biochemische productieroute opgezet. En die levert zogeheten derde generatie biobrandstoffen (http://educatie.ntr.nl/radio/501613/kort-nieuws/item/2405809/gist-maakt-benzine/).
Vanille is één van de meest populaire smaken ter wereld. Vanille wordt verkregen uit de vruchten van de vanilleplant. Het hoofdbestanddeel van vanille is vanilline, de stof die verantwoordelijk is voor de zoete karakteristieke smaak en geur van vanille. Hoewel vanilline kan worden verkregen uit de vanilleplant is dit een relatief kostbaar proces. Daarom wordt voor commercieel gebruik een kunstmatige en sterker smakende vanillesmaakstof gemaakt van synthetische vanilline of chemisch gemodificeerd ethylvanilline (www.rivm.nl/Onderwerpen/T/Tabak/Toevoegingen_aan_tabak/Vanille).
Vorig jaar voerde Friends of the Earth actie tegen ‘natuurlijke’ vanilline gemaakt door genetisch gemodificeerde gisten, onder de titel ‘Extreme Genetic Engineering in Your Ice Cream?’ De organisatie kreeg toezeggingen van grote ijsproducenten als Häagen Dasz dat zij dit product niet zouden gebruiken, maar zouden blijven bij het gebruik van vanilline gewonnen uit de vanilleorchis....Kort geleden begon het Zwitserse bedrijf Evolva zuivere vanilline te maken door fermentatie van suikers, met gebruik van genetisch gemodificeerde virussen. Het product is chemisch zuivere vanilline, vergelijkbaar met de synthetische vanilline die nu op de markt is, en daarom niet gelijkwaardig aan het natuurlijke vanillinemengsel. Let wel: er komen in het product geen gemodificeerde organismen terecht, of delen daarvan. De gemodificeerde organismen zijn slechts de ‘werkpaarden’. Het principe van het proces is geheel te vergelijken met het industriële productieproces van antibiotica als penicillines of cefalosporines. Evolva vroeg om toestemming om het product ‘natuurlijk’ te noemen, met als argument dat het voortkwam uit het natuurlijke proces van vergisting (fermentatie). Ze hebben daarbij vast gedacht aan het eeuwenoude proces waarbij gisten worden gebruikt om alcohol te maken uit suiker. En ze kregen die toestemming. (www.biobasedpress.eu/nl/2015/03/synthetische-biologie-in-de-voedingsindustrie/)
In de VS is sinds de zomer [van 2014] 'synbio' vanilline op de markt. Niet voor de consument, maar die krijgt het wel binnen omdat fabrikanten van voedingsmiddelen het graag verwerken. Synbio vanilline mag zich namelijk 'natuurlijk' noemen, in tegenstelling tot het synthetische vanilline, dat al sinds jaar en dag op de markt is en een bruikbare vervanging voor 'the real thing' vormt. 'Echte vanille' is een prachtig complex aroma dat uit wel 250 aroma's en geurcomponenten bestaat. De synthetische variant is 'kaler', minder complex, maar goed bruikbaar en véél goedkoper. Hij mag zich alleen niet 'natuurlijk' noemen - de stof wordt gewonnen uit aardolie. De nieuwe synbio vanilline is vanuit chemisch oogpunt identiek aan de synthetische vanilline.
Het Zwitserse bedrijf Evolva maakt de synbio vanilline. Dat deze al op de Amerikaanse markt toegepast wordt, kan doordat de Amerikaanse voedselwaakhond FDA geen regelgeving kent voor geur- en smaakstoffen. En de Flavor and Extracts Manufacturers Association hoeft niets te zeggen over producten die door middel van fermentatie tot stand zijn gekomen. Een handige maas in de wet voor de synbio-producten. Die worden namelijk met behulp van fermentatie gewonnen.
Simpel gezegd haal je de genen die voor een bepaalde stof zorgen uit de plant, transplanteert ze in gistcellen en geeft die gist suiker te eten. In het dan op gang komende fermentatieproces zullen de gistcellen de gewenste stof produceren. Evolva doet het dus al op commercieel aantrekkelijke schaal met vanilline. Voor de komende twee jaar zitten saffraan, resveratrol en stevia in de pijplijn (www.foodlog.nl/artikel/synthetische-biologie-is-de-opvolger-van-gmo/).