Mutaties, kleine veranderingen in de DNA-code zijn de motor achter evolutie, door het creëren van natuurlijk variatie. In het laboratorium met micro-organismen, bijvoorbeeld bij bierbrouwers, is het hard werken om mutaties tegen te gaan en een microbe met hetzelfde DNA te houden. “Genetisch identieke micro-organismen houden, is een hoofdtaak van de afdeling kwaliteit van biotechnologische bedrijven.”

Eén cel deelt zich tot twee, die worden er samen snel vier, acht volgen, zestien en al snel zijn het er duizenden. En allemaal perfecte klonen van elkaar, met hetzelfde DNA. Voor elke deling wordt al het genetisch materiaal nagemaakt, met het oorspronkelijke DNA als mal, bij de splitsing tot twee afzonderlijke cellen worden die identieke genomen uit elkaar getrokken. Het beeld van de celdeling als perfecte kopieermachine.

De praktijk blijkt echter, zoals wel vaker, weerbarstiger. De kopieermachine is helemaal niet zo perfect. Celdeling is eigenlijk een rommelig zooitje. Kleine foutjes ontstaan bij het kopiëren of bij het uit elkaar trekken van de chromosomen.

Hoewel de meeste foutjes onschuldig zijn, kunnen ze soms een enorm effect hebben. Het kan voor het organisme leiden tot ernstige afwijkingen en mogelijk zelfs lethaal zijn. Dat geldt voor zowel natuurlijk mutaties als voor in het lab opgewekte mutaties. Waar in het lab medewerkers soms aan de slag gaan om mutaties op te wekken, is het tegenovergestelde net zo goed waar. De expert in het microbiologisch lab moet bewust ingrijpen om mutaties te voorkomen.

Hoe voorkom je die ongewenste mutaties dan? “Dat is één van de essentiële vragen voor de industrie,” bevestigt Jean Marc Daran, hoogleraar biotechnologie aan de TU Delft. “Grote bedrijven hebben een afdeling die de cellijnen beheersen, als onderdeel van hun kwaliteitscontrole. De microben zijn hun kapitaal, hun belangrijkste medewerkers. Daar moet je op kunnen bouwen.”

Bier is een voorbeeld van een product waarin micro-organismen een onmisbare rol spelen. Eencellige gistcellen zetten de suikers uit de wort om in alcohol, koolzuur en smaakstoffen. Een bedrijf als Heineken of Grolsch kent dus een belangrijke kwaliteitsafdeling, die de gistcellen goed in de gaten houdt.

Vriezer

Er bestaan twee populaire methodes om gistcellen, of andere microben, constant te houden: invriezen of vriesdrogen. “Geregeld als je een nieuwe voorraad maakt, pak je een nieuw buisje uit de vriezer van -80 graden. Bij die kou kan er niets mee gebeuren, alle delingen en levensprocessen worden stil gezet. Bij vriesdrogen bevries je eerst alle cellen en laat je daarna al het vocht er snel uit verdampen. Vaak gebeurt dat met de sporen van de gistcellen. Dat zet net zo alle processen in de cellen stil.”

Daarnaast houden bedrijven ook altijd de kwaliteit van hun micro-organismen goed in de gaten. “Dat kan bijvoorbeeld door hun volledige genoom te sequensen en te controleren of er geen cruciale veranderingen zijn. Daarnaast blijft een controle op de kwaliteit van je product altijd belangrijk. Smaakt je bier bijvoorbeeld nog hoe het hoort te smaken?”

Bij veel industriële processen is de kwaliteitseis zo hoog, dat ze steeds maar één batch product maken met één cellijn direct uit de vriezer. “Bij het groeien en delen in het reactorvat, ontstaan er al snel mutaties. En meestal gaat de kwaliteit van de cellen daardoor achteruit.” Bij het maken van bier kan een cellijn iets langer mee. “Je kunt van eenzelfde cellijn tot ongeveer drie keer een batch bier maken, door steeds te oogsten uit de wort met de actieve gistcellen. Die gistcellen delen tijdens het proces helemaal niet zo vaak, meestal maar drie keer ofzo.” Je voegt al veel cellen toe bij de start van het productieproces.

Dit is een grotere uitdaging bij bedrijven waarbij de micro-organismen zélf het product zelf zijn, denk bijvoorbeeld aan marmite, het broodsmeersel gemaakt van gistcellen, of leveranciers van gist voor broodbakkers. “Daar moeten je cellen wel veel vaker delen, om tot die grote hoeveelheden te komen.”

Brouwers

Het exacte brouwproces van bier is een goed bewaard geheim bij de grote brouwerijen in ons land. Gelukkig wil Paul Jacobs, medewerker van de brouwerij in het Nederlands Openluchtmuseum wel zijn kennis over het proces delen. Het drie keer hergebruiken van een gistcellijn herkent hij ook van zijn praktijk. “Hoewel dat niet alleen is vanwege de mutaties, maar ook vanwege de onzuiverheid; er sluipen anders te veel andere micro-organismen in de wort. Maar zeker, dat muteren een hobby is van gistcellen heb ik ook geleerd.” De kleine brouwerij heeft overigens geen eigen productie van gistcellen. “Wij bestellen steeds nieuwe gistcellen, gevriesdroogde exemplaren in zakjes.”

Hoe snel mutaties ontstaan en zelfs opstappelen in een actieve cellijn kan behoorlijk variëren. Als cellen in stressvolle omstandigheden groeien, gaat het meestal een stuk sneller dan in een makkelijke omgeving. “En alcohol in bier kan zo’n stressvolle omgeving zijn. Gelukkig werken de meeste bedrijven inmiddels met cellijnen die goed aan die omgeving zijn aangepast”, bevestigt Daran.

Beseffende dat bier al veel langer bestaat dan de vriezer, roept dat vragen op over hoe huidige biergisten zich verhouden tot vroegere gistsoorten. Heineken gebruikt al sinds 1886 zijn befaamde A-gist. Jacobs: “Zij waren toen wereldwijd één van de eersten die het lukte om een zuivere lijn met biergist te kweken, dus zonder aanwezigheid van andere micro-organismen.” Het bleek een gist van bijzonder goede kwaliteit. Nu nog is het A-gist van Heineken één van de meeste gebruikte biergisten wereldwijd. Maar dat kan nooit een identieke cel aan de huidige lijnen zijn. “Omdat de bewaartechnieken er toen nog niet waren”, legt Daran uit. Dat wil niet zeggen dat de kwaliteit niet nauwgezet gecontroleerd werd. “Het bier werd bij elke geproduceerde batch geproefd en gecontroleerd. Alleen met de beste producten werd doorgegaan.”

Handige mutaties

Naast problemen met mutaties, zijn er ook voordelen. Veranderingen kunnen per toeval nuttige mutaties opleveren. Een beroemd voorbeeld is dat van penicilline, een antibioticum gemaakt door een schimmel. “Door steeds verder te gaan met de cellijnen die toevallig meer penicilline produceren is de productie per cel inmiddels gestegen met een factor 10.000,” benadrukt Daran.

Ook in biergist zijn daar voorbeelden van te geven, beaamt brouwer Jacobs. “Het idee dat bier geen al te hoog percentage alcohol kan bevatten omdat het gist dan niet meer werkt is inmiddels achterhaald. Er zijn gisten die prima doorgaan bij een hoger percentage. Er zijn brouwerijen die deze gisten gebruiken om zo veel zuiniger met water te kunnen zijn bij hun productie.” Deze nieuwe gistcellijnen zijn het gevolg van bewuste selectie. En, eenmaal gevonden en geïsoleerd, gaan deze cellijnen weer de vriezer in, om nieuwe mutaties weer tegen te gaan.