Schimmels als geneesmiddelfabriek

Han Wösten eerste Utrechtse Simon Stevin meester

Erik Hardeman / Pet v/d Luijtgaarden

"Neem Zwitserse kaas", zegt hij als hem om een voorbeeld wordt gevraagd. "Om kaas te maken heb je stremsel nodig, want daarin zit chymosine, een enzym dat ervoor zorgt dat melk gaat stremmen. Traditioneel wordt stremsel uit de maag van een kalf gehaald, maar inmiddels kunnen we schimmels zo modificeren dat hun draden chymosine produceren. Zwitserse en Amerikaanse kaas wordt al grotendeels op deze biotechnologische manier geproduceerd. Dat is niet alleen goedkoper, maar ook nobel, want om kaas te maken hoeven nu geen kalveren meer te worden geslacht."

De wetenschap dat schimmels tal van bruikbare stoffen produceren, is niet nieuw. Het klassieke voorbeeld van een waardevol schimmelproduct is penicilline, maar ook in veel industriële processen zijn enzymen (stukjes eiwit) uit schimmels niet meer weg te denken. Over de levenscyclus van schimmels en de manier waarop zij enzymen produceren, is echter nog weinig bekend. Naar die kennis, die voor een veel efficiënter gebruik van schimmels kan gaan zorgen, wordt in het Utrechtse Kruytgebouw driftig gezocht.

"Schimmels groeien in de bodem of in hout", begint Wösten zijn snelcursus schimmelkunde. "Dat doen zij door een mycelium, een steeds verder uitdijend netwerk van draden, te vormen. Die draden scheiden enzymen uit om het organische materiaal waarmee de schimmel zich voedt, af te breken zodat het kan worden opgenomen. Wij mensen nemen ons voedsel eerst op en verteren het daarna. Schimmels doen precies het omgekeerde en wij proberen er achter te komen hoe dat mechanisme werkt. Omdat schimmels lagere organismen zijn, is lange tijd gedacht dat er in het mycelium geen sprake was van taakverdeling, dat alle draden hetzelfde deden. Wij hebben aangetoond dat in het centrum heel andere processen plaatsvinden dan aan de buitenkant. Zelfs twee draadjes vlak naast elkaar, die er precies hetzelfde uitzien, kunnen heel verschillende taken hebben. De grote vraag is: hoe komt dat?"

Een tweede vraag die de Utrechtse hoogleraar microbiologie en zijn medewerkers proberen te beantwoorden, is hoe paddestoelen ontstaan. "Normaal gesproken blijft de schimmel in de bodem of in hout zitten", vervolgt hij zijn uitleg. "Pas op het moment van voortplanten groeit hij de lucht in. Daar vormt hij sporen in paddestoelen of in schimmelkaas zoals Roquefort. Ook over dat mechanisme proberen wij meer te weten te komen. Dat is onder meer van belang voor de champignonindustrie, die in Nederland een omzet heeft van ruim driehonderd miljoen euro op jaarbasis."

Miljardenbusiness

In zijn laboratorium gebruikt Wösten geen champignons maar vijf andere schimmels, waaronder het ook in De Uithof voorkomende waaiertje, omdat dat snelle groeiers zijn. "Wij kweken onze schimmels op agar, een mengsel van bouillon en stijfsel. Binnen een week heb je paddestoelen, ideaal voor ons onderzoek." Het hoeft in deze tijd van genomics en proteomics geen verbazing te wekken dat dat onderzoek volledig in het teken staat van het zoeken naar de genen en eiwitten die de activiteit van schimmels reguleren. "Het genoom van schimmels is een paar jaar geleden opgehelderd en met geavanceerde screeningstechnieken kunnen we de activiteit van alle 14.000 genen op een bepaald moment meten, zodat we snel weten welke genen betrokken zijn bij de productie van een bepaald enzym of bij de vorming van een paddestoel."

Op de vraag naar het waarom van zijn onderzoek, heeft Wösten een simpel antwoord. "Uiteraard gaat het mij om meer kennis, maar die kennis is van groot belang voor de industrie. Enzymen uit schimmels spelen in steeds meer bedrijfsprocessen een rol, dat is echt een miljardenbusiness. Omdat we er nog zo weinig van weten, moeten bedrijven die een bepaald enzym nodig hebben op dit moment een heel mycelium in een vat vloeistof stoppen, terwijl maar een paar draden ervan het gewenste enzym uitscheiden. Als wij zouden begrijpen waarom de ene draad het wel doet en de andere niet, dan zouden we een gemodificeerde schimmel kunnen produceren, waarvan alle draden dat enzym uitscheiden. Dan zou het rendement dus van een paar procent naar honderd procent stijgen."

Een grote toekomst voorziet Wösten voor de productie van geneesmiddelen door schimmels. "Dan denk ik aan de ene kant aan een efficiëntere manier om stoffen te produceren die de schimmel nu ook al maakt, zoals penicilline. Nog een stap verder is om schimmels heel nieuwe stoffen te laten produceren door er menselijke of dierlijke stukjes gen in te bouwen. Zoals al eerder gezegd, wordt op die manier kaas gemaakt en het is inmiddels ook al gelukt om schimmels insuline te laten produceren.

Implantaat

Voor schimmeldeskundigen was het lange tijd een mysterie hoe schimmels erin slagen om paddestoelen te vormen. De schimmeldraden groeien onder de grond of in het hout namelijk in een waterig milieu en om uit dat milieu los te breken, moeten ze de oppervlaktespanning van water doorbreken. Die is echter zo hoog dat ze er op eigen kracht met geen mogelijkheid doorheen kunnen komen. Zes jaar geleden ontdekte Wösten dat de schimmel om dat probleem op te lossen eiwitten uitscheidt, die als een filmpje op het water gaan liggen en daardoor de interactie tussen de watermoleculen verbreken, waardoor de oppervlaktespanning sterk vermindert.

De ontdekking van de eiwitten die voor dit resultaat verantwoordelijk zijn, kan verstrekkende gevolgen hebben voor tal van industriële processen, denkt de Utrechtse bioloog. "Interessant is vooral dat de schimmel dit eiwit ook tijdens de vorming van de paddestoel blijft produceren. Daardoor wordt de draad waterafstotend, zodat hij niet meer terug de bodem of het hout in kan groeien. Ook de sporen van de paddestoel worden zo waterafstotend gemaakt. Dat voorkomt dat ze aan elkaar plakken, waardoor de wind ze niet zou kunnen verspreiden. Wij hebben dus in feite een eiwit ontdekt dat waterminnende materialen waterafstotend kan maken, maar ook het omgekeerde is mogelijk, want ons eiwit blijkt twee kanten te hebben, een waterafstotende en een waterminnende. Dat is heel interessant, want als we een waterafstotend materiaal, bijvoorbeeld een implantaat in een oplossing met ons eiwit dopen, dan gaat de waterafstotende kant ervan aan het implantaat zitten, terwijl de waterminnende kant de nieuwe buitenkant wordt. Dat kan heel belangrijk zijn om afstotingsverschijnselen te voorkomen."

Op dit moment is grootschalige toepassing van dit mechanisme volgens Wösten nog een toekomstdroom, want het betreffende eiwit wordt alleen door een aantal gespecialiseerde cellen van de schimmel geproduceerd en is dus maar in minimale hoeveelheden beschikbaar. Zijn hoop is dat hij ook andere delen van de schimmel zo ver kan krijgen om het te gaan produceren, want de toepassingsmogelijkheden zijn talrijk.

Fundamenteel onderzoek

Hoe kansrijk het schimmelonderzoek voor zijn gevoel ook is, vergeleken met andere takken van de biologie staat het nog in de kinderschoenen. Zo zijn er op het gebied van paddestoelen wereldwijd maar een paar honderd man actief in het moleculaire onderzoek, aldus Wösten. "Van Japan weet ik het niet precies, maar in West-Europa en Amerika zijn wij de grootste groep, wij zijn echt leidend in dit veld. Ik vind die geringe belangstelling uiterst merkwaardig, want het werken met schimmels is niet alleen wetenschappelijk interessant, het heeft ook grote voordelen. Schimmels groeien snel en zijn enorm productief. Sommige stammen scheiden dertig gram enzym per liter vocht uit, terwijl je al met microgrammen activiteit krijgt. Een voordeel is bovendien dat je schimmels kunt modificeren in vaten, waar ze afgesloten van het milieu groeien. Dus je hebt geen last van discussies over de risico's van je onderzoek."

Op de vraag of hij met alle genoemde toepassingen niet erg ver is afgedreven van het fundamentele onderzoek, reageert Wösten verontwaardigd. "Wat wij hier doen is bij uitstek fundamenteel onderzoek. Ik kijk naar differentiatie in schimmels, fundamenteler kan het niet, alleen probeer ik schimmels te gebruiken die voor de industrie interessant zijn. Daardoor krijg ik veel onderzoeksgeld. Als je een beetje een open mind hebt, zie je ook voor zuiver wetenschappelijk onderzoek talloze toepassingsmogelijkheden en dus kansen om geld binnen te halen. Toen ik nog in Groningen zat, ben ik betrokken geweest bij de commerciële ontwikkeling van een mede door mij ontdekt waterafstotend eiwit. Het is goed denkbaar dat ik ook in Utrecht een keer tegen iets aanloop, waarvoor ik een bedrijf zou willen oprichten. Een dag in de week zou me dat wel leuk lijken, maar zeker niet langer. Ik heb na mijn studie zeven maanden bij Gist-Brocades gewerkt en daarna bewust voor de universiteit gekozen. Die variatie en vooral het contact met studenten met al hun 'merkwaardigheden', dat zou ik niet graag willen missen."

Van glucosestroop tot wasmiddelen

Een enzym is een stukje eiwit dat als een katalysator helpt bij het op gang brengen van reacties en daardoor zeer bruikbaar is in tal van productieprocessen. Een aantal voorbeelden van industriële producten gemaakt met behulp van enzymen uit schimmels:

- Glucosestroop in voedingsmiddelen: wordt gemaakt met behulp van enzymen die zetmeel in suiker afbreken.

- Knapperig brood: wordt gemaakt met behulp van broodverbeteraar, een enzym dat gluten modificeert.

- Vaalblauwe spijkerbroeken: wordt gemaakt met behulp van een enzym dat kleurstof kan afbreken

- Appelsap en wijn: wordt gemaakt met behulp van enzymen die pectine afbreken waardoor zij helder worden

- Wasmiddelen: wordt gemaakt met behulp van enzymen die vlekken kunnen af te breken

- Papier: wordt houtvrij gemaakt middels enzymen die lignine afbreken

- Een enzym gecombineerd met een chemische verbinding slaagde erin om Omo Power zo krachtig te maken dat de te wassen stof er niet tegen bestand was.