Ontwerp van chimere adhesines in Saccharomyces cerevisiae: zijn er grenzen aan de functionele diversiteit van gistadhesie?

Maarten Ghequire
 
Gistadhesie, of waarom kleven zoveel meer is dan vasthangen alleen
Maarten Ghequire
 
Energie kost geld, zoveel is zeker. Iedereen zal het de laatste maanden dan ook wel gevoeld hebben in zijn portemonnee: de brandstofprijzen zijn allesbehalve gedaald. Te sterke afhankelijkheid van oliestaten uit het Midden-Oosten bewees hierbij grote industrieën volledig vleugellam te kunnen maken. Westerse smeekbeden naar goedkopere ruwe olie bleven daarbij onbeantwoord… Anderzijds is de aandacht voor hernieuwbare energie niet uit de media weg te slaan.

Ontwerp van chimere adhesines in Saccharomyces cerevisiae: zijn er grenzen aan de functionele diversiteit van gistadhesie?

 

Gistadhesie, of waarom kleven zoveel meer is dan vasthangen alleen
Maarten Ghequire
 
Energie kost geld, zoveel is zeker. Iedereen zal het de laatste maanden dan ook wel gevoeld hebben in zijn portemonnee: de brandstofprijzen zijn allesbehalve gedaald. Te sterke afhankelijkheid van oliestaten uit het Midden-Oosten bewees hierbij grote industrieën volledig vleugellam te kunnen maken. Westerse smeekbeden naar goedkopere ruwe olie bleven daarbij onbeantwoord… Anderzijds is de aandacht voor hernieuwbare energie niet uit de media weg te slaan. Om de uitstoot van broeikasgassen een halt toe te roepen, zijn verdere investeringen in groene energie een absolute must. Naast ondermeer de aanleg van zonnepanelen en de bouw van windmolens lijkt een cruciale rol hierbij weggelegd voor de biobrandstoffen.
Groene brandstoffen als biodiesels, biogassen, maar vooral bioalcoholen zoals methanol en ethanol, doen waarschijnlijk bij menig persoon een belletje rinkelen. Met name bioethanol neemt langzaamaan een plaats in in het leven van de gewone mens, zij het vaak zonder dat deze laatste het beseft. De intrede ervan kampt echter met enkele kinderziektes, niet in het minst wat betreft de productie.
Voor de aanmaak van bioethanol wordt vandaag de dag voornamelijk gebruik gemaakt van batchreactoren: grote stalen containers waarin vloeibare, suikerrijke oplossingen van gewassen zoals granen, suikerriet en maïs gebracht worden, samen met miljoenen gistcellen. Deze eencellige micro-organismen hebben een grote honger voor suikers en suikerpolymeren en zetten deze na consumptie om in ethanol, de eigenlijke bioethanol. Ondanks het gegeven dat deze productie in enkele Amerikaanse landen reeds een miljardenindustrie betreft – een doorsnee volle tank in een Braziliaanse auto bestaat uit 30 liter benzine en 20 liter bioethanol –, blijven er aan deze hedendaagse strategie enkele grote nadelen gekoppeld: de processen zijn heel tijdrovend en achteraf moet de gist van de ethanol kunnen gescheiden worden, een proces dat grote en dure centrifuges vereist.
Een oplossing lijkt hierbij weggelegd voor de stabielere continue fermentoren waarbij de suikerrijke oplossing langs de ene kant van de reactor binnengebracht wordt en langs de andere kant als ethanol deze verlaat. Op een drager of aan de wand van de reactor kunnen de gistcellen dan vasthangen zodat er helemaal geen sprake meer hoeft te zijn van dure centrifugatiestappen. De productietijd zou daarenboven ook aanzienlijk verkort kunnen worden. Vraag is natuurlijk wat ‘vasthangen’ dan precies moge betekenen, en vooral hoe je organismen met een diameter kleiner dan 10 µm dit kan laten doen.
 
Gistadhesie: een multiculturele genfamilie?
Het gebruik van lijm lijkt op moleculaire schaal niet echt aan de orde. Analyses wezen echter uit dat de ene gist beter aan oppervlakken kan kleven dan andere. Bij nader inzicht bleken proteïnen op de wand van de gistcellen dit verschijnsel te verklaren: ze werden flocculines of adhesines genoemd. Twee soorten kleefgedrag konden hierbij worden onderscheiden: de adhesines zorgen ofwel voor een onderlinge interactie tussen cellen, flocculatie genaamd, ofwel voor een interactie met een oppervlak, kortweg adhesie genoemd.
In het genetisch pakket van een heel klassieke gist, die ondermeer gekend is van zijn toepassingen in brood-, bier- en – jawel – biobrandstofproductie, werden vijf genen, als leden van één familie, gevonden die coderen voor dergelijke adhesines, evenals een aantal pseudogenen en genfragmenten. Deze laatste kan men nog best vergelijken met afgedankte autobanden, in de zin dat ze wel nog lijken op hun intacte variant, maar niet onmiddellijk meer bruikbaar zijn. Kenmerkende eigenschap is verder dat deze genen allemaal in subtelomere domeinen gelegen zijn: gebieden nabij de uiteinden van chromosomen die ervoor gekend zijn gemakkelijk mutaties of genetische fouten in te bouwen.
Bemerk dat men waarlijk kan spreken van een genfamilie aangezien deze adhesines heel sterk op elkaar lijken. Zo lijkt de familie op een gezin van vijf kinderen: een eeneiige drieling, een kleine zus en nog een grote broer. Aangezien er echter veel giststammen zijn op aarde – elk met hun eigen kenmerken –, zijn er ook heel wat families. Geen enkele familie is dan ook dezelfde: sommige adhesines hebben ander haar, andere ogen, sommige zijn wat groter, kleiner, dikker of sterker, etc., resulterend in een multiculturele samenleving waarin elk adhesine zijn eigen kenmerken heeft en dus meer of minder geschikt kan gevonden worden voor een bepaald adhesieoppervlak. Ermee rekening houdend dat adhesines gemakkelijk fouten inbouwen kunnen ze dus eindeloos verschillend zijn!
Net als bij mensen zijn de adhesines verder allen op dezelfde manier opgebouwd: hoofd, romp en benen of moleculair vertaald als een N-terminaal kopdomein, een wervelzuil of centraal geleed domein en een C-terminale staart, nodig voor de verankering in de celwand van de gisten.
 
Chimere adhesines: op zoek naar de grenzen van gistadhesie
In de klassieke laboratoriumstammen is het mogelijk om adhesines te activeren met behulp van een genetische trukendoos. Op die manier werden gisten bekomen die eerst zwevend in oplossing voorkwamen en plots dikke vlokken vormden of extreem aan plastic bleven hangen en nauwelijks nog te verwijderen waren. Wil men echter een ‘superadhesine’ bekomen dat specifiek is voor een bepaald oppervlak, is er niet alleen een sterk en specifiek kopdomein nodig, maar ook een centraal domein en staart die over de juiste eigenschappen beschikken. Of anders gezegd: als het echt vast moet zitten, moet de lijm niet alleen sterk zijn, maar moet ze ook goed ‘pakken’; als een van beide niet voldoet, is de lijm ontoereikend…
In de zoektocht naar betere adhesines werd een strategie gehanteerd waarbij de relatieve bijdrages van verschillende adhesines onafhankelijk van elkaar werden onderzocht: welk hoofd moet op welke romp en benen zodat de allerbeste adhesie wordt bekomen? De adhesines die op die manier verkregen werden, waren dan ook geen natuurlijke, maar ‘versneden’ of chimeer, naar het mythologisch monster met delen van verschillende dieren.
 
Adhesie, soms meer kwaad dan goed…
Spijtig genoeg zijn adhesie en zijn mogelijkheden niet eenzijdig positief. In de medische sector wordt men regelmatig geconfronteerd met de kwalijke effecten ervan wanneer pathogene gisten en schimmels van hun adhesines gebruik maken om zich vast te hechten aan medisch materiaal als prothetische gewrichten of endotracheale tubes om zo – onzichtbaar voor het oog – het lichaam van een patiënt binnen te dringen en daar ziekte te veroorzaken.
Schattingen zeggen dat dergelijke pathogene fungi ongeveer 15% van de ziekenhuisinfecties voor hun rekening nemen. Als 35% van dergelijke schimmelinfecties dan ook nog een dodelijke afloop kent, is het duidelijk dat verder onderzoek naar adhesines en vooral wat er tegen kan begonnen worden een echte noodzaak, want kleven is duidelijk meer dan vasthangen alleen, zoveel is zeker!

Bibliografie

Akada, R. (2002) Genetically modified industrial yeast ready for application. Journal of bioscience and bioengineering. 94(6): 536-544

Basso, L.C.; de Amorim, H.V.; de Oliveira, A.J. & Lopes, M.L. (2008) Yeast selection for fuel ethanol production in Brazil. FEMS Yeast Research. 8(7): 1155-1163

Demain, A.L. (2009) Biosolutions to the energy problem. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 36(3): 319-332
 
Douglas, L.; Li, L.; Yang, Y.; Dranginis, A.M. (2007) Expression and characterization of the Flocculin Flo11/Muc1, a Saccharomyces cerevisiae mannoprotein with homotypic properties of adhesion. Eukaryotic Cell. 6(12): 2214-2221
 
Dranginis, A.M.; Rauceo, J.M.; Coronado, J.E. & Lipke P.N. (2007) A biochemical guide to yeast adhesins: glycoproteins for social and antisocial occasions. Microbiology and molecular biology reviews. 71(2): 282-294
 
Fichtner, L.; Schulze, F. & Braus, G.H. (2007) Differential Flo8p-dependent regulation of FLO1 and FLO11 for cell-cell and cell-substrate adherence of S. cerevisiae S288c. Molecular Microbiology. 66(5): 1276-1289
 
Goffeau, A.; Barrell, B.G.; Bussey, H.; Davis, R.W.; Dujon, B.; Feldmann, H.; Galibert, F.; Hoheisel, J.D.; Jacq, C.; Johnston, M.; Louis, E.J.; Mewes, H.W.; Murakami, Y.; Philippsen, P.; Tettelin, H.; Oliver, S.G. (1996) Life with 6000 genes. Science. 274(5287): 546, 563-567
 
Guo, B.; Styles, C.A.; Feng, Q. & Fink, G.R. (2000) A Saccharomyces cerevisiae gene family involved in invasive growth, cell-cell adhesion, and mating. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 97(22): 12158-12163
 
Halme, A.; Bumgarner, S.; Styles, C. & Fink, G.R. (2004) Genetic and epigenetic regulation of the FLO gene family generates cell-surface variation in yeast. Cell. 116(3): 405-415
 
Jin, Y.-L.; Ritcey, L.L.; Speers, R.A. & Dolphin, P.J. (2001) Effect of cell surface hydrophobicity, charge, and zymolectin density on the flocculation of Saccharomyces cerevisiae. Journal of the American Society of brewing chemists. 59(1): 1-9
 
Miki, B.L.; Poon, N.H.; James, A.P. & Seligy, V. (1982) Possible mechanism for flocculation interactions governed by gene FLO1 in  Saccharomyces cerevisiae. Journal of Bacteriology. 150(2): 878-889
 
Nagashima, M.; Azuma, M.; Noguchi, S.; Inuzuka, K. & Samejima, H. (2004) Continuous ethanol fermentation using immobilized yeast cells. Biotechnology and bioengineering. 26(8): 992-997
 
Otero, J.M.; Panagiotou, G. & Olssen L. (2007) Fueling industrial biotechnology growth with bioethanol. Adv biochem Eng Biotechnol. 108: 1-40
 
Purevdorj-Gage, B.; Orr, M.E.; Stoodley, P.; Sheehan, K.B. & Hyman, L.E. (2007) The role of FLO11 in Saccharomyces cerevisiae biofilm development in a laboratory flow-cell system. Federation of European Microbiological Societies. 7(3): 372-379
 
Reynolds, T.B. & Fink, G.R. (2001) Bakers’ yeast, a model for fungal biofilm formation. Science. 291(5505): 878-881
 
Van Mulders, S.E.; Christianen, E.; Saerens, S.M.G.; Daenen, L.; Verbelen, P.J.; Willaert, R.; Verstrepen, K.J. & Delvaux, F.R. (2009) Phenotypic diversity of Flo protein family-mediated adhesion in Saccharomyces cerevisiae. Federation of European Microbiological societies. 9(2): 178-190
 
Verbelen, P.J.; De Schutter, D.P.; Delvaux, F.; Verstrepen, K.J. & Delvaux F.R. (2006) Immobilized Yeast cell systems for continuous fermentation applications. Biotechnology letters. 28(19): 1515-1525
 
Verstrepen, K.J.; Derdelinckx, G.; Verachtert, H. & Delvaux, F.R. (2003) Yeast flocculation: what brewers should know. Applied Microbiology and biotechnology. 61(3): 197-205
 
Verstrepen, K.J. & Klis, F.M. (2006) Flocculation, adhesion and biofilm formation in yeasts. Molecular microbiology. 60(1): 5-15
 
Verstrepen, K.J.; Reynolds T.B. & Fink, G.R. (2004) Origins of variation in the fungal cell surface. Nature Reviews. 2(7): 533-540
 
Vinces, M.D.; Legendre, M. ; Caldara, M. ; Hagihara, M. & Verstrepen K.J. (2009) Unstable tandem repeats in promoters confer transcriptional evolvability. Science. 324: 1213-1216
 
Zanin, G.M.; Santana, C.C.; Bon E.P.; Giordano, R.C.; de Moraes, F.F.; Andrietta, S.R., de Carvalho Neto, C.C.; Macedo, I.C.; Fo, D.l.; Ramos, L.P. & Fontana, J.D. (2000) Brazilian bioethanol program. Appl Biochem Biotechnol. 84-86: 1147-1161

Universiteit of Hogeschool
Master in de bio-ingenieurswetenschappen
Publicatiejaar
2009
Kernwoorden
Share this on: