Bouwstenen van de biotechnologie

Hoe het begon: in 1895 liet Jacques van Marken, directeur van de Koninklijke Nederlandse Gist en Spiritusfabriek, een laboratorium inrichten in de Polytechnische School voor de getalenteerde, maar sociaal onhandige microbioloog Martinus Beijerinck. Hierdoor ontstond een typische Delftse ingenieursbenadering van biotechnologie: praktisch inzicht in de fysiologie en ecologie van bacteriën, gisten, schimmels en algen, dat bij voorkeur in getallen wordt uitgedrukt.

Meer nog dan de ontdekker van het virus wordt Beijerinck in Delft gezien als stamvader van de ‘selectieve ophopingsculturen’. Dit is een moeizame term voor een simpel en effectief idee: als je een micro-organisme zoekt voor een zekere omzetting, onderwerp dan een monster uit afvalwater of een modderpoel aan een streng regime en de succesvolle stam treedt als vanzelf naar voren. Ben je op zoek naar een bacterie die stikstof uit de lucht kan binden? Begin dan een kweek zonder stikstof in de voedingsbodem zodat alleen organismen die stikstof uit de lucht opnemen kunnen groeien.

Beijerincks groei onder selectieve druk wordt nog altijd toegepast. Een van de recente succesvolle uitkomsten is de Anammox-bacterie die zonder zuurstof nitriet en ammonium (NH4+) uit afvalwater verwijdert. Er zijn bacteriën gekweekt die in korrels groeien en daardoor sneller bezinken. In de waterzuivering bespaart dat onder de handelsnaam Nereda energie en oppervlakte. Ook vraatzuchtige en zwaarlijvige bacteriën die bioplastics uit afvalstromen vormen, zijn onder selectiedruk boven komen drijven.

Eenheid in de biochemie
Biologen mogen zich graag verwonderen over de diversiteit in de natuur. Microbioloog Albert Jan Kluyver, de opvolger van Beijerinck, keek door de soortenrijkdom heen en zag juist een grote eenheid in de stofwisseling. In 1926 publiceerde hij het artikel ‘Die Einheit in der Biochemie’. Hij zag een overeenkomst tussen een bacterie die de melk zuur maakt en een sporter die zichzelf zwaar belast. De biochemische processen zijn gelijk: de omzetting van suiker in melkzuur. Inmiddels gaan biotechnologen er vanuit dat voor vrijwel iedere chemische omzetting waar energie mee te winnen is, een micro-organisme bestaat met juist dat metabolisme. ‘Microbiologie is thermodynamica’, vatte emeritus hoogleraar Gijs Kuenen ooit samen.

Procestechnologie
De ontwikkeling van penicilline tijdens de Tweede Wereldoorlog was vergelijkbaar met het Manhattan-project voor de ontwikkeling van de atoombom. In de Eerste Wereldoorlog waren meer soldaten omgekomen door infecties dan door oorlogsgeweld. Dat moest anders. Daarom werd een industriële productie van penicilline opgezet door kweek van de schimmel op ongekende schaal.

In Delft hoorde medewerkers van ‘De Gist’ hierover via de clandestien beluisterde BBC. Met hulp van Kluyver begon men onder de schuilnaam Bacinol aan een uiterst geheime schimmelkweek. Dat leidde in 1945 tot de eerste gele korrels zuivere penicilline.

Na de oorlog groeide Gist Brocades uit tot een van de grootste penicillinefabrikanten ter wereld. De productiviteit werd in 35 jaar met een factor vijfduizend vergroot. Dat was het resultaat van selectie van stammen, toevoegen van voedingsstoffen en hogere concentraties in de reactoren. DSM, de opvolger van de Gistfabriek, bracht de penicillineproductie in 2005 over naar China en India.

Recombinante DNA-techniek
Kluyvers eenheid in de biochemie werd zo’n zestig jaar later een nieuwe toepassing. Het bleek mogelijk om een stuk DNA uit een micro-organisme te halen en het functioneel bij een andere cel in te brengen. Onderzoeker Jack Pronk maakte een gistcel met een schimmelgen uit olifantenpoep. Het gen waarmee de schimmel houtsuikers in suikers kon omzetten, werkte ook in gist. De gemodificeerde gist, in nauwe samenwerking met DSM voorzien van tal van andere genetische veranderingen, kan mais-afval omzetten in alcohol, lees: biobrandstof.

Twee jaar geleden opende koning Willem-Alexander een fabriek in Emmetsburg in Iowa (Verenigde Staten), waar Delftse gistcellen van DSM honderden tonnen maisloof per dag omzetten in ethanol. De beoogde productie bedraagt honderd miljoen liter ethanol per jaar (op een totaal van zestig miljard liter uit mais).

Microbiële genetica
Voor gistonderzoekers was 1996 een mijlpaal. Laboratoria van over de hele wereld hadden deelgenomen aan een gigantisch, miljoenenproject om het gistgenoom in kaart te brengen. Alle stukjes kwamen in 1996 bijeen in een totaaloverzicht van 12,5 miljoen nucleotiden in 5.770 genen verspreid over zestien chromosomen van bakkersgist. De eenheid in de biochemie die Kluyver veronderstelde, kon nu letterlijk worden aangetoond in databases van verschillende organismen.

De ontwikkeling van de genetica kwam hierna in een stroomversnelling. Het lezen van DNA-volgorden (sequencen), dertig jaar geleden nog een megaproject, gebeurt nu met een apparaatje zo groot als een smartphone aan een usb-poort. Met een beetje geluk lees je in een keer een heel gistchromosoom uit. Online databases met alle denkbare organismen zijn te raadplegen. DNA hoeft niet uit een soortvreemd organisme gewonnen te worden. Robots synthetiseren het en kweken gemodificeerde cellen. Het ontwerpen en construeren van micro-organismen voor tal van toepassingen is in de overdrive geraakt. Beijerinks woorden, vereeuwigd in keramiek, waren nog nooit zo actueel: “Gelukkig zij die nú beginnen.”

​Dichterbij Beijerinck

De deur gaat open en je stapt een eeuw terug in de tijd. Geen computer, geen camera en geen kopieermachine. Wel boeken, microscopen en een bureau met tientallen portretten erboven. “Je had daar portretten hangen van mensen met wie je veel correspondeerde”, vertelt microbiologe dr. Lesley Robertson. Zij richtte op de tweede verdieping van het Science Centre de werkkamer in van Martinus Beijerink en zijn opvolger Albert Jan Kluyver naar voorbeeld van de kamer aan de Nieuwelaan. Opvallend is de hoge eiken ladenkast waarin de professor artikelen en brieven bewaarde. Zo’n beetje de harddrive uit die tijd. Met daar bovenop prachtige plant- en bloemmodellen zo groot als een literfles. Die werden gebruikt tijdens college, net als de handgeschilderde platen door Beijerincks zuster.

Delen van de academische nalatenschap zijn teruggehaald uit Leiden en Groningen en staan nu hier uitgestald. Vanaf 16 maart, Beijerincks geboortedatum in 1851, is de werkkamer op afspraak te bezichtigen. Robertson heeft het draaiboek geschreven voor de rondleidingen.

Bezichtiging werkkamer Maurice Beijerink, vanaf 16 maart, aanmelden via sciencecentre.tudelft.nl