We beginnen nog voordat Pasteur zijn eerste wetenschappelijke stappen zet. Want na een bezoek aan Than in de Elzas in 1828 onderzoekt Louis-Joseph Gay-Lussac een raadselachtige stof uit wijnvaten. Hij noemt het ‘racemisch zuur’ naar het Latijnse racemus; druiventros. Eilhard Mitscherlich stelt in 1844 eenzelfde kristalstructuur vast als van wijnsteenzuur, maar ziet een verschil in rotatie van het polarisatievlak. Tartraat buigt het polarisatievlak naar rechts (d-tartraat), het racemaat is optisch inactief. Hoe kan dezelfde stof zulke tegengestelde kenmerken hebben? 

Asymmetrie 

Dan verschijnt Pasteur ten tonele. Op aanraden van zijn leermeesters Biot en Laurent onderzoekt Pasteur in 1848 de d-tartraatkristallen en stelt vast dat zij alle eenzelfde asymmetrie vertonen. Hij vermoedt dat Mitscherlich dit kristallografisch aspect over het hoofd heeft gezien. En inderdaad, bij de d-tartraatkristallen wijzen de hemiëdrische vlakjes alle in dezelfde richting, maar bij de racemaatkristallen wijzen sommige naar rechts andere naar links. Pasteur haalt beide vormen handmatig met een pincet uit elkaar (een monnikenwerk!), lost ze op in water en vindt dat de ene vorm het polarisatievlak naar rechts draait, de andere naar links. Een mengsel van gelijke gewichten van elk in oplossing heeft geen invloed op de rotatie. De twee zijn elkaars spiegelbeeld en compenseren dus elkaars effect op het gepolariseerd licht.

Het is klaar dat er een verband moet bestaan tussen de moleculaire configuratie en de optische activiteit, maar van structuurformules is in die tijd nog geen sprake in de organische chemie. Het concept van asymmetrie kan echter niet over het hoofd gezien worden wegens de spiegelbeeldrelatie van de natriumammoniumtartraat-kristallen. Het probleem laat hem niet meer los. Pasteur speculeert in 1860 over een structuur met rechts- of linksdraaiende helices zoals die vaak in de natuur voorkomen en optisch actief zijn. Synthetisch bereide producten zijn echter nooit optisch actief, stelt hij, en dus is het leven een asymmetrisch proces.  

Er moet een verband bestaan tussen moleculaire configuratie en optische activiteit

Twee krachten 

In zijn fascinatie voor asymmetrie betrekt hij ook de asymmetrie van krachten die in het universum werkzaam zijn en die de asymmetrische producten voortbrengen. Zijn redenering gaat als volgt: de aarde is rond maar kan niet op zijn spiegelbeeld gelegd worden. De aarde draait rond zijn as, zijn spiegelbeeld in tegenovergestelde zin. Aldus zijn er in het universum twee krachten: beweging en asymmetrie. Hij wil de invloed van die krachten op de chemische synthese bestuderen. In Straatsburg, waar hij in 1849 tot professor is benoemd, doet hij proeven met sterke magneten om te bepalen of ze de kristallisatie beïnvloeden. Na zijn benoeming in Lille, in 1854, ontwerpt hij een procedure om de lichtstraling om te keren: licht ‘s nachts en duisternis overdag. Zou dit tegengestelde optische vormen (antipoden) opleveren? Maar zijn leermeester Biot probeert hem van deze experimenten af te houden: ‘Ik zou u willen verzoeken het idee te laten varen om de invloed van magnetisme op kristallen en planten te onderzoeken. […] U hebt nog te veel te doen om het onzekere boven het zekere te verkiezen.’  

Gisting  

Vooraleer hij zich ontpopt als bacterioloog en vaccinoloog ontwikkelt Pasteur in Lille zijn inzichten in de gisting. Naar hij zelf beweert lag deze studie in het verlengde van zijn vorig onderzoek aan wijnsteenzuur, maar nu met de acht isomeren van amylalcohol en de rol die de fermentatie speelt bij de productie van de linksdraaiende en de optisch inactieve vormen ervan. Of is het toch door de vader van een student die met kwaliteitsproblemen worstelde bij de productie van zijn alcohol uit suikerbieten? Het eindproduct smaakt zurig en de kuipen stinken.  

In die tijd zijn er twee visies over gisting in omloop. De ene is een chemisch-mechanistische opvatting die stelt dat startmoleculen (suiker) kapot worden getrild door de vibraties van de ontbindende gist en daarna opnieuw worden gerangschikt tot eindproducten (ethanol en CO2). De andere, een biologisch-vitalistische theorie, stelt dat gisting een gevolg is van de groei van levende organismen met alcohol als nevenproduct.  

Zijn leermeester probeert hem van deze experimenten af te houden

Pasteur kiest voor de tweede optie. Hij treedt daarmee in de voetsporen van de Italiaanse onderzoeker Adamo Fabbroni die al in 1787 schreef dat ‘gist een plantaardig-dierlijk bestanddeel was van most dat gisting op gang kon brengen in de materie waarin het aanwezig was’. Als bondgenoten heeft hij de Duitse professor Theodor Schwann en de Franse uitvinder Charles Cagniard-Latour die dicht bij de waarheid kwam toen hij in 1837 schreef: ‘Gist is een opeenhoping van bolletjes […] en kunnen door hun vermenigvuldiging koolzuur voortbrengen in de zoete vloeistof, die wordt omgezet in alcohol’. Aanhangers van de andere theorie zijn ook niet van de minste. Lavoisier had aangetoond dat gisting niets anders doet dan het in twee delen splitsen van de suiker die vervolgens koolzuur vormen door oxidatie. En uit experimenten van Gay-Lussac en Thenard (in navolging van Appèrt, 1810) bleek later dat gisting van druiven niet kon plaatsvinden zonder lucht. In Duitsland beschouwt ook Liebig gist als een toevallige bijkomstigheid bij de fermentatie.   

Melkzuur 

Pasteur vergelijkt de inhoud van de vaten en ontdekt in de goede vaten grote globulen gist – sommige met knoppen – in het sediment, terwijl hij in de slechte vaten geen alcohol aantreft, maar melkzuur. Ook vindt hij in die vaten geen globulen, maar wel veel kleinere staafjes. Er zijn blijkbaar twee types gisting in het spel, een alcoholische en een melkzure. Die zijn afkomstig van twee verschillende types groeiende cellen. De oplossing voor het slechte resultaat is een aanbeveling om zorgvuldig de vaten te beschermen tegen toevallige besmetting en hygiënisch te werken.  

Maar hij gaat verder. Hij merkt steeds kleine hoeveelheden glycol, boterzuur en barnsteenzuur op na de reactie. De levende cel kan dus talrijke organische stoffen omzetten in andere producten. Bij de verdere studie van het boterzuur ziet hij een opmerkelijk verschijnsel onder zijn microscoop. Aan de rand van het dekglaasje ziet hij onbeweeglijke wezentjes en in het centrum is het juist een wemeling van jewelste. Aan de rand is er zuurstof, in het centrum niet. Dus de boterzuurbacteriën gedijen beter in afwezigheid van zuurstof. Nu stuurt hij lucht naar het centrum en het gewriemel neemt af. Hij heeft een ‘anaeroob’ micro-organisme ontdekt en kan het onderscheiden van een ‘aeroob’. Hij constateert dat biergist zowel in aan- als afwezigheid van zuurstof gedijt en noemt het ‘facultatief anaeroob’.  

Het toneel is klaar voor een van de felste ruzies uit de biochemie

Ruzie 

Pasteur formuleert vervolgens een algemene gistingstheorie gebaseerd op de activering van specifieke micro-organismen door hun voeding. Liebig fulmineert en het toneel is klaar voor een van de felste ruzies in de biochemie. Beiden blijven koppig bij hun standpunt: levende gistcellen moeten obligaat aanwezig zijn bij gisting beklemtoont Pasteur, terwijl Liebig onderstreept dat een stof in de levende gistcel ontbindt na de dood en een vibratie-energie doorgeeft aan de omringende suikermoleculen. Enkele destijds ontdekte chemische omzettingen van organische materie spelen in de kaart van Liebig: een kiemende gerstoplossing bevat een stof die zetmeel van zaden kan omzetten in suikers: diastase (Payen en Persoz, 1833) en maagsap kan kunstmatige vertering in vitro veroorzaken dankzij pepsine (Schwann, 1836). Men noemde deze stoffen toen ‘niet-georganiseerde’ of ‘oplosbare fermenten’. 

De Poolse chemicus Moritz Traube stelt in 1860 dat in cellen stoffen bestaan die analoog zijn aan de bekende oplosbare fermenten en dat die verantwoordelijk zijn voor de processen als de alcoholische gisting. In 1862 haalt Martin Berthelot een ferment uit een levende gistcel dat actief blijft buiten de cel en dat sacharose kan splitsen in zijn twee samenstellende suikers glucose en fructose: invertase. Dus is de levende cel niet zelf het ferment maar de producent ervan, m.a.w. de fermenten blijven opgesloten in de cel. ‘Levenskracht’ van de cel is niet langer nodig. Daarop verdeelt Pasteur de wereld van de organische omzettingen in ‘fermentaties in engere zin’ die groeiende levende cellen nodig hebben en in ‘andere fermentatie-achtige reacties’ van de oplosbare fermenten. Wilhelm Kuhne noemt ze enzymen (1877).  

Protoplasma

Pasteur blijft geloven in speciale krachten in het protoplasma die vernietigd worden als de cel afsterft. Nu mengt Berzelius zich in de debatten. Reeds in 1837 publiceerde hij zijn belangrijke bijdrage ‘Over een tot nu toe zelden waargenomen kracht die waarschijnlijk actief is bij de vorming van organische stoffen’. Het wordt slechts veertig jaar later bestudeerd. Hij introduceert het begrip katalyse (1836), ook voor de fermentatie. Pasteur kent het werk wel maar heeft het nooit geciteerd. De grote protagonisten hebben de ontknoping niet mogen meemaken. Twee broers, Hans en Edouard Buchner, brengen rond 1895 bij toeval de definitieve oplossing aan. Zij voegen suiker in een hoge concentratie toe aan gistextracten om ze te bewaren. Edouard ziet een constante stroom aan belletjes opborrelen in het preparaat. Als chemicus vermoedt hij dat het mengsel uit de gebroken gistcellen het conserveringsmiddel aantast, splitst in glucose en fructose en verder omzet in ethanol en CO2. De alcoholische en andere fermentaties kunnen nu buiten de context van de levende cel begrepen worden. En zo vindt een meningsverschil dat decennialang de biochemische scene heeft gedomineerd haar beslag.