Bakkersgist, Saccharomyces cerevisiae

De gist Saccharomyces cerevisiae, letterlijk de suikerschimmel uit bier, wordt sinds mensenheugenis gebruikt voor het bereiden van brood, bier en wijn. Zo is in meer dan 5000 jaar oude Egyptische wijnkruiken het DNA van deze gist teruggevonden. Vermoedelijk was het de Delftse pionier in de microbiologie, Antonie van Leeuwenhoek, die in de 17de eeuw als eerste gistcellen in gistend bier waarnam. Hij noemde deze ‘kleine deeltjens’. Het duurde echter tot de 19de eeuw voordat de Franse chemicus Louis Pasteur aantoonde dat deze deeltjes (gisten) actief betrokken waren bij de anaerobe omzetting van suikers in ethanol en koolzuurgas.

Gistgenoom

De volledige ontcijfering van het genoom van bakkersgist in 1996 was een grote mijlpaal in de biologie. Dit was het eerste genoom van een eukaryoot organisme dat beschikbaar kwam. Het genoom van bakkersgist is relatief klein met 16 chromosomen die samen iets meer dan 12 miljoen basenparen omvatten en coderen voor 6275 genen waarvan er, voor zover bekend, 5800 (92%) functioneel zijn. Ter vergelijking: de mens heeft 46 chromosomen en 3 miljard basenparen en twintigduizend eiwitcoderende genen, waarvan we maar van 58% weten waarvoor ze dienen.

S. cerevisiae is daarom een veel gebruikt modelorganisme en wordt door velen ook wel gezien als de ultieme gist, wellicht zelfs als ‘de’ gist. Dit is ook af te lezen aan het grote aantal Nobelprijzen (2001, 2004, 2006, 2009, 2013, 2016) dat voor gistonderzoek is toegekend. Meestal omdat de experimenten met de gist(en) een aanzienlijke bijdrage leverden aan het begrip van fundamentele processen in de cel, die ook belangrijk zijn voor het functioneren van cellen van hogere organismen, waaronder de mens. Denk hierbij aan de uitscheiding van eiwitten, het regelen van de celcyclus, de werking van telomeren, de afbraak van eiwitten en autofagie. Allemaal processen die bij ontsporing leiden tot allerlei ziekten.

Ondanks het feit dat bakkersgist en de mens honderden miljoenen jaren geleden van elkaar zijn afgesplitst in de evolutionaire stamboom, is er voldoende overeenkomst om de gist te gebruiken als modelorganisme om ziekten bij de mens beter te begrijpen. Bijvoorbeeld voor onderzoek aan kanker, neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekten van Alzheimer, Huntington en Parkinson, maar ook ziekten veroorzaakt door prionen, en defecten aan mitochondriën en peroxysomen.

Recentelijk zijn er 400 essentiële genen van de mens in het genoom van de gist geplaatst terwijl de genvariant van de gist ofwel was verwijderd of inactief gemaakt. Onder laboratoriumcondities bleek bijna de helft van de humane genen gewoon te kunnen functioneren in de gistcel. Dat is handig want met deze gehumaniseerde gisten kan men snel en eenvoudig de interactie tussen verschillende menselijke genen bestuderen, en ook de eiwitten die ze maken.

Optimaliseren van gisten

Vanouds werden gisten geoptimaliseerd voor specifieke toepassingen zoals het bakproces en het maken van bier of wijn. Hierdoor kunnen ze beter bij lagere temperaturen groeien, zijn ze beter bestand tegen invriezen en droogvriezen, en kunnen ze ook beter groeien in aanwezigheid van hoge gehaltes aan stoffen zoals suikers en sulfiet. Die eigenschappen kunnen ze onder meer verkrijgen via (horizontale) overdracht van genen van andere gistsoorten. Zo bleek uit genoomonderzoek van de wijngiststam S. cerevisiae ec1118 dat het genen had afkomstig van een andere gistsoort, Zygosaccharomyce bailii. Hierdoor was de wijngist toleranter voor hoge suiker- en alcoholconcentraties, lage beschikbaarheid van stikstof en dus beter aangepast aan het ‘wijnmilieu’.

Het verbeteren van giststammen gebeurde in eerste instantie nog op de klassieke manier, zoals het opwekken van mutaties door chemicaliën of bestraling met ultraviolet licht, het kruisen met gisten met de gewenste fenotypische eigenschappen, en fenotypische en genetische analyse van de nakomelingen. Omdat veel fenotypisch eigenschappen niet worden bepaald door één enkel gen, maar door een samenspel van vele genen, vergt dit uitgebreide analyses van een groot aantal nakomelingen om de plaats van de verantwoordelijke set aan genen te identificeren, de zogenaamde Quantitative Trait Loci of qtls.

Collecties van giststammen waarin gericht genen zijn verwijderd zijn voor dit type onderzoek van groot belang. De ‘Yeast Knockout’ collectie van bakkersgiststam S288C, de stam die ook gebruikt is voor de eerste genoomanalyse, bestaat uit 6000 stammen waarvan in elke stam één gen is verwijderd. Samen vertegenwoordigen ze 96% van het genoom. Deze collectie kan bijvoorbeeld gebruikt worden bij onderzoek om het fenotype dat bij een bepaald gen hoort te bepalen, maar ook naar de meest geschikte of optimale geëvolueerde stam tijdens een bepaald productieproces.

Kunstmatige gist

Inmiddels is het genetische gereedschap van bakkersgist verder uitgebreid. Nieuwe genetische technieken, zoals crispr–Cas, maken het mogelijk om efficiënter en gerichter genen te vervangen waardoor het optimaliseren van giststammen voor bepaalde productieprocessen een stuk sneller kan plaatsvinden. Een volgende stap is het gehele gistgenoom te ontwerpen en kunstmatig in elkaar te zetten, zoals de synthetische biologie beoogt. Dit geeft de industriële biotechnologie ongekende mogelijkheden, bijvoorbeeld voor de productie van medicijnen en grondstoffen.

Dat dit idee geen sciencefiction is blijkt uit een aantal recente studies waarin al 6 van de 16 gistchromosomen kunstmatig zijn gemaakt. Een geheel kunstmatige gist zal weldra volgen. Dit zal ongetwijfeld leiden tot grote verbetering van de vele productieprocessen die gebruik maken van gistcellen. De vraag blijft echter hoe deze cellen met dergelijke kunstmatige genomen zich ecologisch en evolutionair gaan gedragen ten opzichte van hun wilde verwanten mochten ze onverhoopt in het milieu terecht­komen.