Biergist beter begrijpen, dat was het hoofddoel van het onderzoek waar promovendus Arthur Gorter de Vries en collega’s van de TU Delft aan werkten. En passant toonden ze als eersten aan dat de theorie over een van de meest fundamentele principes van de evolutie – hoe nieuwe genen ontstaan en soorten nieuwe functies verwerven – klopt.
Wat wilden jullie in eerste instantie onderzoeken?
‘We wilden eigenlijk vooral begrijpen hoe het gist dat we gebruiken om pilsener mee te maken, Saccharomyces pastorianus, zo geëvolueerd is dat het in staat is om het grote suikermolecuul maltotriose te verteren. Verder wilden we kijken of we een voorouder van die gist, S. eubayanus, zo konden evolueren dat ‘ie dat ook kon, om hem zo geschikter te maken om bier mee te brouwen.’
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Waarom deden jullie onderzoek naar het omzetten van maltotriose?
‘Maltotriose zit in wort, het suikerrijke goedje dat gebruikt wordt om bier van te brouwen. Vertering van maltotriose is voor bierbrouwen erg belangrijk, omdat de suikers de componenten zijn die omgezet worden in alcohol. Als de suikeromzetting niet compleet is – als maltotriose niet verteerd wordt – krijg je ten eerste een stuk minder alcohol, en ten tweede een zoete smaak die je wilt vermijden, zeker in pilsener.’
En om ervoor te zorgen dat het gist maltotriose wel kon gebruiken, maakten jullie gebruik van evolutie?
‘Ja. We maakten gebruikt van een principe dat laboratoriumevolutie heet. Het is in beginsel hetzelfde als evolutie in de natuur, naar het basisidee dat Darwin beschreef: survival of the fittest, ofwel natuurlijke selectie. Maar omdat we in een laboratorium werken, kunnen wij als onderzoekers de omstandigheden bepalen waarin dat proces van selectie plaatsvindt. Op die manier kunnen we sturen wat de uiteindelijke winnaar zou moeten zijn. Zo hopen we dan een eigenschap te krijgen die we graag zouden willen hebben. In dit geval het kunnen verteren van maltotriose.’
Hoe ging dat dan precies?
‘We hebben de voorloper van de bierbrouwgist, S. eubayanus, laten groeien in een medium met veel maltotriose. Het kunnen verteren van maltotriose zou zo’n gist een voordeel geven ten opzichte van de gistcellen die dat niet kunnen. Uiteindelijk zagen we dat er inderdaad mutanten waren die effectief maltotriose konden verteren.
‘Door het DNA van de gist in kaart te brengen voor en na deze laboratoriumevolutie zagen we bovendien dat deze nieuw verworven functie het resultaat was van een proces waarvan al lang gedacht wordt dat op die manier soorten nieuwe functies verwerven, namelijk neofunctionalisatie.
‘Neofunctionalisatie is de theorie die stelt dat nieuwe functies ontstaan doordat er kopieën van genen gemaakt worden. Deze kopieën kunnen vervolgens naar hartenlust aangepast worden, omdat de andere kopie de oorspronkelijke functie van het gen waarborgt. Op die manier kunnen nieuwe functies ontstaan. Dat is iets waarvan we wel wisten dat het waarschijnlijk is. Als we in het DNA kijken van vissen, gisten of zelfs mensen, dan zitten daar genen bij waarvan de DNA-volgorde erg op elkaar lijkt, hoewel ze totaal iets anders doen. Hierdoor heerst al lang de theorie dat verschillende gen functies uit kopieën van één zelfde gen kunnen ontstaan. Met dit onderzoek hebben we dat dus nu voor het eerst laten zien in een lab.
‘Uit de DNA-analyse kwam namelijk naar voren dat de geëvolueerde gisten een nieuw gen bevatten, dat ontstaan was door mutaties in gekopieerde genen. We hebben dus in een experimentele setting het ontstaan van een nieuw gen laten zien.’
Dat is een mooie bijkomstigheid van het onderzoek.
‘Ja, het is – ook al was het niet de bedoeling – het belangrijkste resultaat van dit onderzoek. Al is het toepassingsgericht ook leuk dat je uiteindelijk met deze gist ook beter biertjes kan brouwen.’