Productie van alcohol is veiligheidsmaatregel voor gist

Groningse onderzoekers opperen verklaring voor energieverspillend gedrag van gist èn kankercellen
Dat gist alcohol kan maken, weten bierbrouwers maar al te goed. Maar het is voor gistcellen een verspilling van energie, dus waarom doen ze het dan? Wetenschappers breken zich al tientallen jaren het hoofd over deze vraag. Groningse onderzoekers denken nu het antwoord te hebben: de productie van alcohol is een soort veiligheidsklep, die voorkomt dat de stofwisseling van de gistcellen overbelast raakt. Deze theorie verklaart mogelijk ook waarom kankercellen energie verspillen door melkzuur te maken.
Bierliefhebbers zullen alcoholproductie niet als energieverspilling zien. Toch is het vanuit evolutionair oogpunt vreemd dat gist een deel van de beschikbare energie niet zinvol benut.

Cellen gebruiken voedingsstoffen om nieuwe cellen te maken. Maar soms lijken ze een deel van de voedingsstoffen te verspillen. De gist Saccharomyces cerevisiae, die gebruikt wordt in bierbrouwerijen, breekt glucose (een soort suiker) af tot ethanol (‘alcohol’) en niet tot koolstofdioxide (CO2). Het verbreken van chemische bindingen levert energie. Glucose bevat zes koolstofatomen, glucose twee en koolstofdioxide maar één. “Door een molecuul van zes koolstofatomen af te breken tot een molecuul van twee koolstof, en niet tot één, blijft een deel van de energie uit glucose onbenut. Dat is niet logisch”, zegt Matthias Heinemann, hoogleraar moleculaire systeembiologie aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Evolutie zou dergelijk verspillend gedrag snel de nek om draaien, dus proberen biologen te begrijpen waarom dat niet is gebeurd. “En waarom er een vergelijkbare verspilling is in andere cellen”, zegt Heinemann. Het bekendste voorbeeld daarvan zijn kankercellen. Deze snelgroeiende cellen scheiden lactaat (melkzuur) uit, wat ook een verspilling van energie is. “Dat hetzelfde gebeurt bij verschillende typen cellen en verschillende organismen riep bij ons de vraag op of er een gemeenschappelijke factor aanwezig was.”

Duizend reacties

Heinemann houdt zich vooral bezig met de stofwisseling, het netwerk van chemische reacties dat zorgt voor de productie van bouwstenen voor cellen. Zijn hypothese was dat er een plafond bestaat voor de snelheid van de stofwisseling. Samen met zijn promovendi Bastian Niebel en Simeon Leupold maakte Heinemann een model van de afname in de zogeheten Gibbs energie in de cellen. Dit is de energie die vrijkomt bij het totaal van de chemische reacties in een cel.

Uitgelicht door de redactie

In memoriam Sanne Deurloo

Geneeskunde
Een vreemde ontmoeten en levens redden op Lowlands

Biologie
Piemels en doodskisten tussen de Lowlands-optredens

Dat leverde een computermodel met ongeveer duizend reacties in de cel op en door dat te combineren met experimentele gegevens, wist Heinemann vast te stellen dat het vrijkomen van Gibbs energie gelijk opgaat met de opname van glucose. In eerste instantie komt er meer Gibbs energie vrij zo lang er meer glucose wordt opgenomen, maar dan bereikt het systeem een constante waarde. Juist op dat punt begint de productie van ethanol. “Dit is ook het punt waar de cellen overstappen van energieproductie door oxidatie ofwel verbranding naar fermentatie”, legt Heinemann uit.

Maximale snelheid

De onderzoekers kregen vergelijkbare resultaten bij de darmbacterie E.coli. Heinemann: “Gist en E.coli leven in totaal verschillende omstandigheden, maar ze hebben een vergelijkbare productielimiet voor Gibbs energie. Dit suggereert dat er een universeel proces in het spel is.” De exacte reden voor de limiet is nog onduidelijk, maar Heinemann heeft wel een idee. “De snelheid van de stofwisseling van cellen heeft blijkbaar een maximum.” Zodra dit bereikt is, opent zich een ‘veiligheidsklep’: glucose wordt vanaf dat moment afgebroken tot moleculen als ethanol of lactaat, waardoor een deel van de energie niet wordt gebruikt.

Alleen, wat bepaalt dan die limiet? “Ons idee is dat enzymen die de chemische reacties versnellen tijdens die reactie iedere keer een klein duwtje krijgen, waardoor ze een stukje opschuiven. Als ze heel hard moeten werken, kan dit er voor zorgen dat er te veel beweging is in de cel, wat interne structuren van de cel kan beschadigen.” Onderzoek naar de beweging van enzymen in de cel bij verschillende stofwisselingssnelheden is nodig om dit te kunnen vaststellen.

Veiligheidsklep afsluiten

Ondertussen is Heinemann er wel van overtuigd dat hij het mysterie van de ethanolproductie door gist heeft verklaard, net als het zogeheten Warburg-effect in kankercellen. Bijna een eeuw geleden beschreef de latere Nobelprijswinnaar Otto Warburg dat in kankercellen de stofwisseling zeer actief is, waardoor melkzuur wordt gevormd. Ook deze verspilling van energie en voedingsstoffen is volgens Heinemann een veiligheidsklep: “Er lopen ook onderzoeken naar de werkzaamheid van middelen die de melkzuurproductie remmen tegen kanker. Het mechanisme van die middelen kan zijn dat ze de veiligheidsklep afsluiten.”

Overigens hebben niet alle cellen zo’n veiligheidsklep nodig. “Sommige giststammen nemen glucose nogal traag op, dus die zullen nooit een overbelasting van de stofwisseling krijgen. En die stammen produceren ook geen alcohol”, aldus Heinemann.

Bron:

B. Niebel, S. Leupold, M. Heinemann, An upper limit on Gibbs energy dissipation governs cellular metabolism, Nature Metabolism (2019), doi:10.1038/s42255-018-0006-7

Dit artikel is een publicatie van Science Linx, en hoort bij de thema's Voedsel produceren en Ziekten genezen op Biotechnologie.nl.
© Science Linx, sommige rechten voorbehouden