Exposing a complex metabolic system: glycolysis in Saccharomyces cerevisiae Teusink, B.

Transcriptie

1 UvA-DARE (Digital Academic Repository) Exposing a complex metabolic system: glycolysis in Saccharomyces cerevisiae Teusink, B. Link to publication Citation for published version (APA): Teusink, B. (1999). Exposing a complex metabolic system: glycolysis in Saccharomyces cerevisiae General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam ( Download date: 23 Jan 2019

2 SAMENVATTING VOOR HENK (EN ANDERE GEïNTERESSEERDE LEKEN) Ik heb altijd beweerd dat je als wetenschapper wellicht met vreselijk ingewikkelde en esoterische dingen bezig kunt zijn, maar dat je altijd moet kunnen afdalen uit je ivoren toren en op verjaardagen aan je tante moet kunnen uitleggen wat je aan het doen bent. Ik wil dus graag een poging wagen om aan niet-ingewijden uit te leggen wat ik de afgelopen promotietijd heb gedaan. Daarbij houd ik de volgorde aan van het boekje zelf niet al te strak aan, maar probeer ik eerder een idee te geven van het type vragen dat ik me heb gesteld. De titel van mijn proefschrift is in het Nederlands (?): "het blootleggen van de eigenschappen van een complex metabool systeem: de glycolyse in Saccharomyces cerevisiae". Het onderzoek is dus gedaan aan Saccharomyces cervisiae, de wetenschappelijke naam voor bakkersgist. Die gist is een eencellig organisme, net als bacteriën, maar de gistcel is veel groter en ingewikkelder: ze lijkt meer op een zoogdiercel dan op een bacterie. Gist is een populair onderzoeksobject, om een aantal redenen. Veel componenten in de gistcel zijn vergelijkbaar met die van "hogere" organismen, de mens incluis. Gist is veel eenvoudiger te manipuleren, en het is natuurlijk ethisch een stuk eenvoudiger om mee te werken. Kennis over bijvoorbeeld de processen die de deling van de gistcel reguleren kunnen van pas komen in het onderzoek van celdeling bij de mens, en dan met name voor als het mis gaat zoals bij kanker. Bovendien is gist erg belangrijk in zowel de traditionele biotechnologie (brood-, wijn- en bierproductie) als in de moderne biotechnologie (productie van bijvoorbeeld wasmiddelenzymen). Een gistcel is een vreselijk ingewikkeld apparaat. Ik heb dus alleen naar een heel klein stukje van die gistcel gekeken: de glycolyse. De glycolyse is onderdeel van een heel netwerk aan chemische omzettingen die in een (gist)cel kunnen plaatsvinden. Dit netwerk wordt het metabolisme van de cel genoemd. De naam glycolyse staat voor suiker (ykvkua=gr. zoet) afbreken (Xua\.a=Gr. losmaken), en wordt gebruikt om de omzetting van glucose (suiker) naar alcohol en koolstofdioxide aan te duiden. Zoals de meesten zullen weten, is de alcohol interessant voor de bier- en wijnfabricage, terwijl het koolstofdioxide belangrijk is voor het rijzen van deeg. Bij 37 C en normale luchtdruk verlopen de meeste chemische reacties heel traag: pas als bijvoorbeeld aardgas goed heet wordt gemaakt (vlammetje erbij), verbrandt het snel genoeg om je huis ermee te verwarmen. Zulke hoge temperaturen zijn natuurlijk niet praktisch in een biologisch systeem. In cellen worden chemische reacties daarom versneld door enzymen, eiwitten die heel specifiek bepaalde stofjes in een cel herkennen en ze omzetten in andere stofjes. De glycolyse bestaat nu uit een groep van twaalf enzymen die stapje voor stapje glucose omzetten in alcohol en koolstofdioxide. Deze stappen zijn afgebeeld in figuur 3 van hoofdstuk SAMENVATTING VOOR HENK 223

3 1. Bij dit proces komt energie vrij dat door de cel kan worden gebruikt om te groeien. De glycolyse dient dus als energievoorziening voor de cel. Toch heeft de glycolyse ook een andere functie: de brokstukken van suikers, de tussenproducten tussen glucose en alcohol, zijn weer grondstoffen voor de fabricage van allerlei belangrijke componenten van de cel, zoals vetten en eiwitten, maar ook van DNA, de drager van het erfelijk materiaal. De glycolyse staat dus eigenlijk in het middelpunt van het metabolisme van de (gist)cel. De glycolyse is dan ook het best en langst bestudeerde stukje metabolisme: al meer dan honderd jaar (!) wordt er onderzoek naar gedaan. Het wekt wellicht verbazing dat na honderd jaar nog niet alle vragen omtrend de glycolyse zijn opgelost. De moeilijkheid zit hem in een belangrijke eigenschap van enzymen: je kunt ze "harder en zachter" zetten. Er zitten als het ware regelknopjes aan, die de cel in staat stelt om de snelheid van de chemische reactie die het enzym versnelt, precies aan te passen aan de behoefte ervan onder een bepaalde conditie. De centrale verwarming thuis is een goed voorbeeld om de functie van regelknoppen duidelijk te maken. Op de kachel zit ook een regelknop, die de kachel gevoelig maakt voor de temperatuur in huis. Die temperatuur wordt gemeten en doorgegeven aan de kachel. Zodra de temperatuur in huis hoger wordt dan de gewenste temperatuur (doorgegeven aan de thermostaat), slaat de kachel af. Het huis koelt dan af, de temperatuur daalt en de rem op de kachel wordt opgeheven: de kachel slaat weer aan. De temperatuur blijft dus schommelen rond de gewenste temperatuur. De essentiële functie van de (negatieve) regelknop op de kachel is het verzekeren van de constante temperatuur. Precies dezelfde regulatiemechanismen vind je terug bij enzymen: veel enzymen die bijvoorbeeld betrokken zijn bij de productie van een bepaalde bouwstof, worden door diezelfde stof geremd. Als er dan genoeg van die stof is, wordt de productie van meer ervan geremd. Dit klinkt allemaal redelijk eenvoudig en logisch, maar er zijn in biologische systemen twee problemen. Ten eerste is de ontwerper van de biologische systemen nog steeds een onderwerp van controversie. Blinde Evolutie of Almachtige Ontwerper, ze kunnen ons allebei niet vertellen wat de precieze bedoeling is geweest van hun ontwerp. Dat moeten we als wetenschappers zelf verzinnen. Dat maakt dat je soms wel een regelknop hebt ontdekt, maar dat je geen flauw idee hebt waar die voor dient. Ten tweede kunnen er erg veel regulatiemechanismen tegelijkertijd operatief zijn. Sommige enzymen maken het erg bont: ze kunnen wel door tien of meer verschillende signalen worden geregeld. Een groot deel van de honderd jaar ging dan ook op aan het ontrafelen van alle knopjes die op de enzymen zitten. Daar ontdekken we er trouwens nog steeds nieuwe van. Als je eenmaal weet of denkt te weten hoe individuele enzymen werken en hoe ze worden gereguleerd, kun je je de vraag stellen hoe die enzymen samenwerken. Met twaalf enzymen die ieder op zijn eigen manier wordt gereguleerd, is dat geen vraag die je op een zondagmiddag op de achterkant van een envelop uitwerkt. Vandaar dat de glycolyse in de titel van het proefschrift een "complex metabool systeem" wordt genoemd, een ingewikkeld stukje metabolisme. Er komen al snel 224

4 computermodellen aan te pas. In zulke modellen stop je de eigenschappen van elk enzym, en reken je vervolgens uit wat er gebeurt als je de enzymen bij elkaar stopt. Daarna zal je moeten kijken of wat het model uitrekent, ook in het echte beest gebeurt. De helft van mijn proefschrift heb ik daarom gemeten wat er in gistcellen precies gebeurt; de andere helft van mijn proefschrift ben ik bezig geweest om dat uit te rekenen en te begrijpen. De eigenschappen van een complex metabool systeem blootleggen dus. Met computer modellen kun je grofweg twee typen vragen stellen. De eerste is: begrijpen we in principe welke stappen en regelknoppen in de glycolyse belangrijk zijn voor een bepaalde eigenschap? Zo begrijpen we het principe dat als we de kachel in huis gevoelig maken voor de temperatuur, dat we dan een constante temperatuur kunnen verwachten. Ook interessant is of we begrijpen hoe we in principe dat gedrag kunnen beïnvloeden (zoals we met de thermostaat de temperatuur kunnen regelen). De tweede vraag is dan: misschien begrijpen we het principe wel, maar kunnen we het ook zelf precies uitrekenen en voorspellen? Beide typen vragen zijn in dit proefschrift gesteld. Stel, je wilt een supergist maken die twee keer zo snel brood laat rijzen dan normaal gist. Dan is het als eerste belangrijk om te weten hoe je in principe de snelheid van het rijsproces (de glycolyse dus) kunt beïnvloeden. De eerste vraag dus. Je maakt een heel simpel computermodelletje en vraagt je af, of de snelheid van de glycolyse wordt bepaald door de langzaamste stap in het proces (naar analogie van de zwakste schakel in een ketting...). Je stopt drie enzymen bij elkaar, rekent uit hoe snel het proces verloopt, en gaat vervolgens sleutelen aan de enzymen. Dan blijkt dat het leven niet zo eenvoudig is als een ketting: de snelheid van het proces wordt democratisch bestuurd: het sleutelen aan alle drie de enzymen heeft een effect op de snelheid van het totale proces. Het werkt net als de doorstroming van het verkeer: op het smalste stuk de weg twee keer zo breed maken, betekent niet dat over het hele traject twee keer zo snel kan worden gereden: er onstaat vanzelf ergens anders een probleem. We moeten dus op zoek naar een integrale aanpak van het probleem. Het zou daarbij mooi zijn als er precies kon worden uitgerekend hoe de glycolyse werkt. Dan is er misschien met het model te voorspellen welke aanpassingen tot onze supergist kunnen leiden. Dat is dus de tweede vraag. Om de tweede vraag te kunnen beantwoorden, moet je heel veel gegevens hebben van al die regelknoppen op al die enzymen. Dat is afgrijselijk veel werk. Gelukkig dat DSM Bakery Ingredients (voorheen Gist Brocades) al heel veel van die metingen op de plank had liggen. Op basis van die data heb ik een computermodel gemaakt en de uitkomsten ervan vergeleken met de echte gistcellen (hoofdstuk 8). Daarbij bleek dat we van ongeveer de helft van de enzymen van de glycolyse een heel aardig begrip hebben. De andere enzymen moeten nog beter worden onderzocht. Modellen maken is dus leuk, maar heeft zijn limitaties. Er moet dus ook gemeten worden. Ik heb in dit proefschrift daarom experimenteel bepaald in hoeverre het transport van glucose SAMENVATTING VOOR HENK 225

5 de gistcellen in, in staat is om de snelheid van de glycolyse te beïnvloeden. Het bleek dat die invloed van de glucose transport stap sterk afhing van de hoeveelheid glucose die er te verteren viel. Als er veel glucose was, was die invloed klein, maar als er maar weinig glucose was, werd de transportstap steeds belangrijker (hoofdstuk 4 en 5). Aangezien in deeg en druivesap erg veel suikers aanwezig zijn, zal de transportstap onder die condities dus niet limiterend zijn. Voor het maken van de supergist heeft het dus naar alle waarschijnlijkheid geen zin om te proberen om die transportstap nog sneller te maken. In sommige gevallen kan het gedrag van een groepje enzymen spectaculair anders zijn dan je in eerste instantie zou verwachten. Een voorbeeld daarvan is dat onder sommige condities de concentraties van stoffen in de cel op en neer kunnen gaan. Dit gebeurt onder bepaalde condities ook in de glycolyse van gist. Deze op en neer gaande beweging wordt een oscillatie genoemd, en ziet er in de tijd uit als een golvende slinger (in hoofdstuk 3 zijn die oscillaties in gistcellen nader bestudeerd en staan een aantal mooie plaatjes). Als je twee van zulke slingers in een grafiek tegen elkaar uitzet, krijgt je een cirkel. Een punt in de tijd draait dan op die cirkel in het rond. Zo'n cirkel wordt in wetenschappelijke kring "limit-cycle" genoemd. Een hele mooie limit-cycle staat op de cover. Op en neer gaande bewegingen komen in de natuur heel veel voor: denk maar aan het kloppen van het hart, de menstruatie cyclus en dag-nacht ritmes. Belangrijke aspecten van een oscillatie zijn de frequentie (hoe snel gaat het op en neer), en de amplitude van de oscillerende stofjes (tussen welke concentraties gaat het op en neer?). Een belangrijke vraag die in dit proefschrift werd gesteld, is of de frequentie en de amplitude van dit soort oscillaties ook democratisch worden bepaald, net als de snelheid van de glycolyse. Dat bleek in simpele computermodellen (hoofdstuk 2), maar ook in gistcellen zelf (hoofdstuk 5), inderdaad zo te zijn. Er is nog een ander, nogal dramatisch, gedrag van de glycolyse bestudeerd. Er is gekeken wat er gebeurt in een gistcel waarin een specifieke regelknop op een enzym aan het begin van de glycolyse werd weggehaald (zo'n afwijkende gistcel wordt ook wel een mutant genoemd). Dat was behoorlijk desastreus: de mutant ging dood als je hem suiker te eten gaf. Om het probleem te begrijpen moeten we iets meer van de organisatie van de glycolyse afweten. In de glycolyse moet eerst energie geïnvesteerd worden om er vervolgens twee keer zoveel energie uit te krijgen. Die energie kun je dan weer investeren om meer energie te genereren. In hoofdstuk 6 hebben we deze organisatie van de glycolyse met een turbomotor vergeleken, omdat in zo'n motor de uitlaatgassen gebruikt worden om meer benzine in de motor te pompen. Dat levert weer meer uitlaatgassen op, en zo verder. De regelknop die was weggehaald, remde de eerste investeringsstap af. Het gevolg was ongecontroleerde investering van energie, zodat de cel "failliet" was voordat de investeringen energie opleverden. In een simpel model was het turbo ontwerp nagebootst, waarna we heel precies konden vaststellen, waarom die weggehaalde regelknop zo vreselijk essentieel was om niet failliet te gaan (hoofdstuk 6 en 7). 226

6 In vier jaar onderzoek heb ik meegeholpen om iets meer te begrijpen van een heel klein stukje metabolisme van een relatief simpel organisme. Het ontzag en de fascinatie voor de natuur is er alleen maar groter op geworden. Ik hoop dat een klein beetje te hebben duidelijk gemaakt. Het is ongelooflijk hoe complex een cel in elkaar zit. Dat écht begrijpen zal nog heel, heel lang duren, en is een enorme uitdaging. SAMENVATTING VOOR HENK 2 2 7

7