Dat schimmels meer kunnen dan brood bederven of nare infecties veroorzaken, is ons inmiddels wel bekend. Al tijden gebruiken we deze organismen bij het bereiden van chocola, bier en kaas, maar ook voor het maken van medicijnen zoals het antibioticum penicilline. Maar daar blijft het niet bij. Schimmels hebben van nature nog een enorm arsenaal aan mogelijkheden die wij als mensen kunnen gebruiken. Ze zijn bijvoorbeeld veelbelovend voor de ontwikkeling van biobrandstoffen.
Genetische geheimen van de schimmel
Naar schatting zijn er ongeveer anderhalf miljoen schimmelsoorten, waarvan er slechts zo’n honderdduizend beschreven zijn en een naamkaartje dragen. Tot al die soorten behoren meercellige paddenstoelen, maar ook eencellige soorten zoals gisten. Ze zijn erg belangrijk voor het ecosysteem omdat ze dood organisch materiaal afbreken. Bovendien zijn het bijna de enige organismen die lignine en cellulose kunnen afbreken: complexe stoffen in de celwanden van planten. Dit trucje maakt schimmels erg interessant voor allerlei vernuftige innovaties: van het maken van biobrandstoffen, tot het verwijderen van metalen uit radioactief vervuilde ecosystemen.
Maar eigenlijk begrijpen we maar weinig van wat schimmels doen, hoe ze het doen, en wat hun precieze rol is in het ecosysteem. Als we deze organismen in grote getale willen gaan inlijven in de industrie, dan moeten we gedetailleerde kennis krijgen van hun diversiteit, hun afbraakenzymen, en hun leefgewoonten. Veel wetenschappers hebben zich daarom vol overgave gestort op het sequensen van hele schimmelgenomen. Om tot in detail de genetische eigenschappen bloot te leggen.
Duizend schimmels doorgelicht
Eén van de grondigste inspecties naar het schimmelgenoom is het 1000 fungal genomes project: een project waarin een internationaal onderzoeksteam – waaronder Nederlandse wetenschappers van het Centraalbureau voor Schimmelcultures (CBS) – in vijf jaar tijd van duizend schimmels het genoom gaan sequensen. En dat doen ze niet zomaar lukraak. De duizend gelukkigen zijn nauwkeurig geselecteerd, zodat elke tak van het schimmelrijk vertegenwoordigd is.
Alle schimmels op aarde zijn namelijk in te delen in zo’n vijfhonderd families. En van elke familie kiezen de wetenschappers twee schimmels die als referentie voor hun familie gaan dienen. Deze inspanning moet een catalogus opleveren met informatie over de enzymen, stofwisseling en allerlei andere eigenschappen van de betreffende schimmels. Dat moet het een stuk makkelijker maken om een nuttige eigenschap voor industriële doeleinden eruit te pikken.
Hitteminnende schimmels
Dat kennis van de volledige genoomsequentie van een schimmel zoden aan de dijk zet, bleek vorige maand uit een studie van een internationaal onderzoeksteam, onder wie wetenschappers van het CBS. In het oktobernummer van Nature Biotechnology vergeleken zij van twee thermofiele schimmels – schimmels die tegen hoge temperaturen kunnen – de verschillen in het genoom.
De onderzoekers richtten zich vooral op de genen die betrokken zijn bij de afbraak van plantaardige koolhydraten als cellulose. Beide schimmels waren in staat alle grote koolhydraten uit plantaardige biomassa af te breken. Maar de manier van afbraak bleek niet altijd hetzelfde. Werd cellulose door beide schimmels via dezelfde weg afgebroken, voor het koolhydraat pectine gebruikten de schimmels verschillende enzymen. Bij beide schimmels verliep de koolhydraatafbraak bovendien beter bij hogere temperaturen.
Oneetbare gedeelten van voedingsgewassen, zoals wilgen, bevatten veel cellulose.
Obstakels bio-ethanol productie
Veel bio-ethanol, een biobrandstof, wordt gewonnen uit plantaardig afval door fermentatie: een proces waarbij suikers door gisten worden omgezet in ethanol. Maar stengels en bladeren hebben stoffen als cellulose en lignine in hun celwand, die niet direct tot suikers afbreekbaar zijn. Daarom wordt plantenafval eerst voorbewerkt met afbraakenzymen, die cellulose afbreken tot suikers. Door schimmels genetisch te modificeren moeten ze in de toekomst meteen ethanol uit cellulose kunnen maken.
Hoe heter hoe beter
En dat maakt thermofiele schimmels interessant: hun enzymen verdragen hoge temperaturen. Momenteel wordt plantenafval bij de productie van bio-ethanol (zie kader) voorbewerkt met enzymen uit ‘gewone’ schimmels om cellulose en lignine af te breken. Deze enzymen werken bij temperaturen tussen de veertig en vijftig graden Celsius. Bij deze temperatuur lukt de afbraak wel, maar het duurt erg lang voordat al het plantenafval in suikers is omgezet.
Er is een simpele oplossing: de temperatuur omhoog gooien. Maar dan heb je wel enzymen nodig die veel hitte kunnen verdragen. En daarvoor zijn de hittebestendige enzymen van de schimmels ideaal: ze werken prima bij zeventig tot tachtig graden Celsius. Je zou zelfs het gen voor zo’n thermofiel enzym kunnen inbouwen in een micro-organisme dat in de industrie wordt gebruikt, waardoor het beter zal presteren.
En dit is nog maar het begin. Zodra al die schimmelgenomen zijn uitgeplozen, hebben wetenschappers de mogelijkheid om nuttige eigenschappen van de schimmel terug te vinden in het DNA, om er vervolgens mee aan het knutselen te slaan. Naar verwachting hebben schimmels in de toekomst nog wel wat spannende toepassingen voor ons in petto.
Bronnen:
- Randy M. Berka e.a. Comparative genomic analysis of the thermophilic biomass-degrading fungi Myceliophthora thermophila and Thielavia terrestis. Nature Biotechnology, online publicatie 2 oktober 2011.
- Website van het 1000 fungal genomes project
Lees meer over schimmels en hun genoom:
- Genoom van plantenschimmels onder de loep (Kennislinkartikel)
- Nuttig genoom van penicilline-schimmel bekend (Ditsisbiotechnologie.nl)
- Aardappels aartsvijand bespioneerd (Ditisbiotechnologie.nl)
- Meer biobrandstof uit plantenafval (Ditisbiotechnologie.nl)
- Olifantenpoepschimmel helpt bakkersgist (Artikel Bionieuws)
- Schimmeldiesel (Kennislinkartikel)
- GM-micro-organismen: chemische fabriekjes (Kennislinkartikel)