De schimmelfabriek
Schimmels kunnen een hoop nuttige producten maken, maar de industriële toepassingen zijn nog beperkt. Dat komt onder andere omdat het moeilijk te voorkomen is dat schimmels tijdens de productie overal op en aan groeien.
Nu de vraag naar duurzame biobrandstoffen en chemische verbindingen zoals bouwstenen voor bioplastics toeneemt, stijgt ook de interesse in industriële biotechnologie die hiervoor nuttige enzymen kan leveren. Schimmels zijn van nature heel efficiënt om de hier voor benodigde enzymen te produceren. Dit doen ze namelijk al voor de productie van voedingsmiddelen en veevoer maar ook voor andere consumentenproducten, zoals wasmiddelen, cosmetica, gezondheidsproducten en geneesmiddelen worden enzymen gebruikt.
Eeuwenoud gebruik
De kennis van het gebruik van schimmels voor enzymproductie komt voort uit de meer traditionele toepassingen van schimmels bij de productie van voedingsmiddelen. Gebruik van schimmels bij de productie van Japanse rijstwijn voert zelfs terug op een periode van voor onze huidige jaartelling. Sinds de 10e eeuw na Christus worden opzettelijk schimmelsporen toegevoegd tijdens de voedselproductie, waardoor men meer controle kreeg op het product. Tot dit moment was men afhankelijk van schimmelsporen die ‘toevallig kwamen aanwaaien’.
Van gerichte industriële productie van specifieke enzymen met schimmels is voor het eerst sprake in een patentaanvraag van Jokichi Takamine uit 1894 met daarin de beschrijving van amylaseproductie in Aspergillus oryzae onder andere voor de bereiding van alcohol. Vanaf dit moment ging het snel. In 1938 verscheen een eerste Engelstalig tekstboek voor het onderwijs in de industriële mycologie, waarin voor biochemici werkzaam in de industrie, de wereld van schimmels werd uiteengezet. In dit handboek werden verschillende Aspergillus soorten uitgebreid beschreven. Inmiddels zijn er vele tientallen met schimmels geproduceerde enzymen commercieel beschikbaar. Een drietal bedrijven met vestigingen in Nederland: dsm, DuPont en Unilever, hebben hier een grote rol ingespeeld.
Stamverbetering
Aanvankelijk werden schimmels voor industriële toepassing geschikt gemaakt met klassieke stam- en proces-verbeteringstechnieken. Stamverbetering was gebaseerd op selectie van geschikte organismen met hogere productiecapaciteit. Door de ontwikkeling van de moleculaire biologie in de zeventiger jaren van de vorige eeuw werd het mogelijk om schimmels gericht genetisch te modificeren om zo specifieke industriële enzymen te produceren. Zo kon de schimmel niet alleen de eigen enzymen zoals amylases in grotere hoeveelheden produceren, maar ook enzymen van andere schimmels en andere organismen. Dit leidde tot een scala van nieuwe toepassingen. Zoals de productie van het enzym chymosine, een dierlijke enzym dat in de kaasbereiding wordt gebruikt bij het stremmen van het melk en dat normaal gesproken uit kalvermagen wordt geïsoleerd.
Verder werd al snel in diverse onderzoeksgroepen gewerkt aan de productie van farmaceutisch relevante eiwitten, met name insuline voor de behandeling van diabetes. Van dit eiwit kan slechts een heel beperkte hoeveelheid worden geïsoleerd uit dierlijk of menselijk materiaal, waardoor er niet voldoende voor patiënten beschikbaar was. Bovendien kwam later aan het licht dat uit dieren geïsoleerde eiwitten risico’s opleverden voor allergische reacties en besmetting met dierlijke ziekteverwekkers, zoals prionen en virussen. Inmiddels wordt daarom vrijwel alle insuline geproduceerd op basis van industriële biotechnologie waarbij gebruik wordt gemaakt van schimmels.
Fermentatiereactoren waarin gisten en schimmels worden getest voordat ze worden ingezet voor grootschalige productie in de fabriek.
Getty Images
Productiehobbels
Bovengenoemde voorbeelden waren niet meteen succesvol. Al spoedig bleek dat de geproduceerde hoeveelheid van deze schimmelvreemde eiwitten, in geen verhouding stond met de hoeveelheid van schimmeleigen eiwitten. Het bleek dat de schimmelvreemde eiwitten in een rap tempo werden afgebroken door proteases, eiwitsplitsende enzymen, die de schimmel zelf produceert.
Voor het probleem van afbraak door proteases zijn inmiddels wel gedeeltelijke oplossingen gevonden, maar desondanks is het nog steeds één van de grootste struikelblokken bij het efficiënt produceren van niet-eigen eiwitten in schimmels. Inmiddels is wel meer bekend hoe in een veel gebruikte industriële schimmel Aspergillus niger de productie van proteases op genniveau geregeld wordt.
Op basis van die kennis is het mogelijk om proteaseproductie gericht aan te pakken. In een andere industrieel relevante schimmel Trichoderma reesei, bleek proteaseproductie verrassend genoeg totaal verschillend geregeld. Dit geeft aan dat we nog maar weinig weten over de biologische diversiteit van schimmels. Er is dus nog veel te ontdekken om te komen tot een optimale schimmel als fabriek van schimmelvreemde eiwitten.
Om een schimmel meer robuust en algemeen toepasbaar te maken voor industriële schaal zijn er nog meer problemen op te lossen, zoals de zuurstofvoorziening, roerbaarheid van de kweek, zuurproductie en de neiging van schimmels om overal op en aan te groeien. Over de groei van schimmels en de verschillen tussen schimmels onderling is helaas nog weinig toepasbare kennis beschikbaar. Aan de universiteiten van Leiden en Utrecht wordt hier uitgebreid fundamenteel onderzoek aan gedaan.
Chemicaliën
Naast de productie van enzymen en farmaceutische eiwitten, zijn schimmels ook bij uitstek geschikt voor de productie van grondstoffen voor de chemische industrie. Met name organische zuren, zoals citroenzuur, gluconzuur en itaconzuur kunnen schimmels in hoeveelheden van honderden grammen per liter produceren op basis van suikers als uitgangsstof. Deze verbindingen vinden hun toepassing in een breed scala aan toepassingen zoals in de productie van bioplastics.
Het gaat hierbij om complexe biochemische syntheseroutes in de schimmelcel waarbij meerdere genen een rol spelen en waarvoor het afregelen van de syntheseroute zeer belangrijk is. Het verder ontrafelen van de controle en biosynthese systemen zal helpen om nog meer van deze zuren te produceren.
Nieuwe benaderingen zoals de systeembiologie gaan hierbij helpen. Hiermee is het mogelijk om in elk experiment van alle genen, eiwitten en metabolieten een momentopname te maken en zo verschillende condities te vergelijken. Onderzoekers kunnen op die manier aanwijzingen vinden om met gerichte stamverbetering de processen verder te verbeteren en oplossingen te vinden voor productieproblemen zoals proteasevorming, draadvormige schimmelgroei en de controle van biochemische routes.
