Delfts gewenningsprogramma kweekt universele biomassavergister

Biotechnologen van de TU Delft hebben een nieuwe procedure ontwikkeld om de evolutie van een gistcultuur de gewenste kant op te sturen. Het leverde gistcellen op die een mengsel van glucose, D-xylose en L-arabinose efficiënt kunnen omzetten in ethanol, zonder dat ze ongewenste bijproducten vormen of een van de drie suikers links laten liggen. Wouter Wisselink en collega’s presenteerden hun nieuwe aanpak onlangs in Applied & Environmental Microbiology.

Xylose en arabinose zijn de belangrijkste bouwstenen van lignocellulose oftewel ‘houterige’ biomassa. Natuurlijke gistcellen (Saccharomyces cerevisiae) zijn niet in staat om deze suikers te verteren: ze houden het liever bij glucose.

Via genetische ingrepen (‘metabolic engineering’) en/of doorkweken van mutaties op een aangepast dieet (‘evolutionary engineering’) is het al gelukt om giststammen te kweken die óf xylose óf arabinose kunnen verwerken. Daartoe bouw je bijvoorbeeld een xylose-isomerasegen uit een anaerobe schimmel (Piromyces) of bacterie (Clostridium) in, en een serie genen voor arabinose-afbraak uit Lactobacillus plantarum.

Het blijkt echter veel moeilijker om een gistcel te ontwikkelen die allebei tegelijk lust. In Delft hadden ze tot nu toe één stam gekweekt, genaamd IMS0002, die het in principe kon. Maar om hem efficiënt arabinose te laten afbreken moest je hem gedurende lange tijd op een dieet van alléén arabinose zetten, met als gevolg dat de xylose-afbraak er net zo hard weer uit evolueerde. Gaf je deze gistcellen daarna weer xylose, dan lieten ze een deel liggen en maakten onbruikbaar xylitol van de rest.

Wisselink heeft nu de heropvoeding van IMS0002 ter hand genomen. Hij kweekte eerst cellen op een vaste voedingsbodem met alleen xylose, om een stam terug te krijgen die deze suiker weer goed kon verteren. Maar toen hij daarmee verder ging kweken bleek de evolutie opnieuw de verkeerde kant op te gaan: de gistcellen consumeerden nu bij voorkeur eerst de xylose in hun medium alvorens aan de arabinose te beginnen.

Uiteindelijk blijkt de truc te zijn om de gistcellen te kweken in wisselende voedingsmedia. Je start met een batch in een medium met glucose, xylose en arabinose. Zijn de suikers op, dan plaats je de gist over naar een medium met alleen xylose en arabinose. Daarna gaat hij naar een derde medium dat alleen arabinose bevat. Dan ga je weer terug naar het eerste medium. Deze cyclus herhaal je 20 keer.

De resulterende giststam (IMS0010) blijkt een glucose/xylose/arabinosemengsel bijna 40 procent sneller te kunnen omzetten als in het begin, terwijl de concentraties van de ongewenste bijproducten xylitol en arabinitol beneden de detectiegrens blijven.

Voor zover Wisselink weet is zijn methode om de evolutie een handje te helpen niet eerder in de wetenschappelijke literatuur beschreven. Hij kan zch voorstellen dat er wel meer micro-organismen bestaan die je op deze manier kunt trainen voor de industriële biotechnologie.

bron: Applied and Environmental Microbiology (met dank aan Jack Pronk)