Enzymen: in je lijf en in je leven

Transcriptie

1 een kijk op biotechnologie 8 Enzymen: in je lijf en in je leven Een inforeeks van

2 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven. VIB, het Vlaams Interuniversitair Instituut voor Biotechnologie, verenigt in één instituut 800 wetenschappers van vier Vlaamse universiteiten (UGent, K.U.Leuven, UA en VUB). Ze verrichten gentechnologisch onderzoek in verschillende domeinen van de levenswetenschappen, zoals menselijke gezondheidszorg en plantensysteembiologie. Via zijn technologie transfer activiteiten beoogt VIB de omzetting van de onderzoeksresultaten in producten ten dienste van de consument en de patiënt. VIB verstrekt ook wetenschappelijk onderbouwde informatie over alle aspecten van de biotechnologie aan een breed publiek. 2

3 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven Geen leven zonder enzymen In ons lichaam is het constant superdruk. Continu worden voedingsstoffen afgebroken tot bouwstenen, die onmiddellijk ingezet kunnen worden voor de opbouw van lichaamsstoffen. Tegelijkertijd blijft onze lichaamstemperatuur op peil, is er doorlopend transport van zuurstof en andere levensnoodzakelijke stoffen, maken we nieuwe cellen aan, worden indringers zoals virussen en bacteriën afgeweerd, en nog zoveel meer... duizenden reacties tegelijkertijd, en dat terwijl je rustig een boek leest of naar televisie kijkt. Deze bioreacties moeten allemaal in goede banen geleid worden. Geen eenvoudige opdracht. Denk maar aan de chemische proefjes in de scheikundeklas, want daar zijn deze bioreacties het best mee te vergelijken. Zo'n chemische reactie lukt pas als de ingrediënten in de juiste verhouding en op het juiste moment aanwezig zijn. Vaak duurt het lang of moet het mengsel opgewarmd worden om het gewenste product te vormen. Bij de bioreacties in ons lichaam is die opwarming gelukkig niet nodig. Ons lichaam zit namelijk boordevol enzymen. En deze enzymen zorgen voor een vlot en snel verloop van alle levensprocessen. 3

4 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven. Wat is een enzym? Enzymen zijn heel specifieke eiwitten die bioreacties onvoorstelbaar versnellen en ook heel nauwgezet begeleiden. Ze grijpen een bepaalde stof en zetten die volgens de wetten van de scheikunde om tot het gewenste product. Razend snel, op één of een paar tienduizendsten van een seconde. En dit allemaal gewoon bij lichaamstemperatuur, zonder extra opwarming. De enzymen zorgen ervoor dat de scheikundige reacties in een levend organisme 10 miljard maal sneller verlopen dan in de scheikundeklas. Een enzym kan 1 tot omzettingen per seconde realiseren! Het enzym alcoholdehydrogenase helpt alcohol af te breken in de lever. Hierdoor kunnen we - met mate - drinken. Chinezen en Japanners hebben een variant van dit enzym dat trager werkt, waardoor zij meer last kunnen hebben van alcoholische drankjes. Voor elke scheikundige reactie in ons lichaam, hebben we een specifiek enzym. Duizenden verschillende enzymen voeren duizenden verschillende reacties heel specifiek, precies, snel en gelijktijdig uit. De enzymen van onze spijsvertering zorgen voor de afbraak van vetten, eiwitten en suikers en zetten ze om tot nieuwe bouwstenen en energie. Weer andere enzymen regelen onze bloeddruk, de werking van de spieren, de afvoer van giftige stoffen en vele andere levensnoodzakelijke processen. En dit is zo bij alle levende wezens: of het nu mensen, dieren, planten of bacteriën zijn. Zonder enzymen zou er geen leven mogelijk zijn 4

5 De code voor enzymen Het erfelijk materiaal (DNA) bevat de informatie voor de aanmaak van enzymen. DNA is een heel lange streng die samengesteld is uit 4 bouwstenen (A, C, G en T). Eén of meerdere stukken DNA bevatten de code voor de aanmaak van één enzym. Hoe het lichaam deze DNA-code gebruikt om enzymen aan te maken, lees je in de VIB-brochure 'Wat is biotechnologie?'. van DNA tot enzym: Enzym celinhoud celkern ribosoom DNA trna aminozuur De bouwstenen (aminozuren) van een enzym worden aaneengeregen als kralen aan een ketting. 5

6 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven. Hoe werkt een enzym? Het enzym grijpt een stof en bindt ermee. Na een korte interactie ontstaan de gewenste eindproducten. Stof Stof Enzym Enzym Product 1 Product 2 Enzym 6

7 Toepassing van enzymen Geen wonder dat mensen deze enzymen voor tal van toepassingen willen benutten. De reacties die ze begeleiden in mensen, dieren, planten en microorganismen, kunnen immers ook voor de industrie interessant zijn. Voor chemische reacties zijn vaak extreme temperaturen, hoge drukken of bijtende omstandigheden nodig. Het gebruik van enzymen maakt dit overbodig, waardoor de productie van bepaalde stoffen een stuk makkelijker en goedkoper verloopt. Om leer te looien gebruikte men vroeger uitwerpselen van dieren. De aanwezige proteasen breken eiwitten af. Deze reactie maakt het makkelijker om de huid te ontharen en geeft het leer een zachtere structuur. Vanaf 1910 gebruikt men in de leerlooierij in plaats van de uitwerpselen enkel de noodzakelijke enzymen. Het stinkt er sindsdien beduidend minder! Sommige volksstammen, zoals de Chicha in Zuid- Amerika, gebruiken speeksel om alcoholrijke drankjes te maken. Vrouwen kauwen graan en mengen het zo met hun speeksel. Speeksel bevat amylase dat zetmeel uit graan gedeeltelijk omzet in suiker. De fermentatie van de gevormde suiker zorgt voor een alcoholhoudend drankje. cheese! Om kaas te maken gebruikte men vroeger het maagsap van jonge kalveren. Tijdens hun eerste levensweken maken heel wat dieren chymosine aan in hun maag. Chymosine maakt een stof in melk onoplosbaar, waardoor de melk niet direct uit de maag kan wegstromen. Zo hebben de jonge dieren meer tijd om de melk te verteren en er alle nuttige voedingsstoffen uit te halen. Naarmate ze minder melk drinken, maken dieren minder chymosine aan. De kaasindustrie maakt volop gebruik van chymosine en zet het in voor de eerste stap van kaasproductie: het 'stremmen' (samenklonteren) van de melk. Vroeger haalde men het enzym uit kalvermagen, maar nu maakt men chymosine in grote hoeveelheden industrieel aan. Er bestaan al tal van industriële toepassingen van enzymen. Ze zijn niet meer weg te denken uit de productie van levensmiddelen, textiel, veevoer, papier en (vaat)wasproducten. Men zou de enzymen kunnen isoleren uit hun natuurlijke bron, denk bijvoorbeeld aan het kalvermaagsap voor kaasproductie. Maar dit heeft beperkingen; er zijn alvast niet voldoende kalveren om de volledige kaasindustrie te bevoorraden. Het is dan ook veel efficiënter en bovendien duurzamer om de enzymen industrieel te produceren. Door de grote vraag naar enzymen is de enzymproductie ondertussen een industriële sector op zich. 7

8 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven. De productie van enzymen Met micro-organismen enzymen produceren Veel micro-organismen (schimmels, bacteriën en gisten) maken enzymen aan. Deze kleine organismen kunnen ook makkelijk ingezet worden voor enzymproductie op industriële schaal. Ze worden in huizenhoge fermentoren gekweekt in een vloeistof die alle voedingselementen bevat die ze nodig hebben om te groeien. Tijdens hun groei produceren de micro-organismen enzymen. Na een aantal dagen isoleert men de enzymen en doodt men de overgebleven micro-organismen. Fermentoren Binnenkant fermentor / foto s: Genencor Fermentoren zijn gesloten roestvrijstalen kweekkuipen, een soort high-tech variant van een bierkuip. Een fermentor bevat apparatuur die de ideale groeiomstandigheden voor microorganismen garandeert. Ze moeten immers over voldoende voedingsstoffen en lucht beschikken en ze mogen het niet te warm krijgen. Andere apparatuur in de fermentoren zuivert de enzymen en doodt de microorganismen af. De fermentoren voldoen aan hoge hygiëne-eisen en hebben een inhoud die varieert van enkele tientallen tot vele duizenden liters. Buitenkant fermentor 8

9 Ook enzymen uit andere bronnen industrieel produceren De massale productie van enzymen van andere organismen, zoals de koe of de mens, was lang onbegonnen werk. Tot het in de jaren 1970 mogelijk werd om micro-organismen genetisch te wijzigen. Als men het gen voor een bepaald enzym binnenbrengt in een bacterie of gist, krijgt men een genetisch gewijzigd organisme (GGO) dat dit enzym nu zelf kan produceren. Zo maakt biotechnologie het mogelijk dat micro-organismen nu ook enzymen uit andere organismen aanmaken. Sindsdien kan een bacterie zonder problemen bijvoorbeeld een koeienenzym produceren. Micro-organismen genetisch wijzigen Eerst isoleert men het gen met de code voor het gewenste enzym, bijvoorbeeld chymosine. Met knip- en plakwerk brengt men dit gen binnen in het DNA van een goed gekend productie-organisme, zoals een bacterie. Zo maakt men een GGO dat één extra enzym, namelijk chymosine, aanmaakt. Het geproduceerde chymosine is net hetzelfde als het natuurlijke, door het kalf aangemaakte, enzym, alleen wordt het door een genetisch gewijzigde bacterie geproduceerd. Hoe dit knip- en plakproces in zijn werk gaat, lees je in de VIB-brochure 'Wat is biotechnologie?' De GGO-primeur was voor het Deense bedrijf Novozymes dat in 1984 een door een GGO geproduceerd enzym, amylase, op de markt bracht. Amylase is vandaag niet meer weg te denken bij het bakken van brood. Novozymes produceert dit enzym op grote schaal met behulp van een genetisch gewijzigde schimmel. Dit GGO-enzym was het eerste van een hele reeks... De grote enzymfabrikanten van vandaag produceren veel van hun enzymen met behulp van GGO's. Hier zijn heel wat redenen voor: Vroeger moest men enzymen isoleren uit de natuurlijke bron. Dit betekende vaak met levend materiaal werken, zoals chymosine uit de magen van geslachte kalveren halen. Niet echt duurzaam en het lukte niet om aan de groeiende vraag te voldoen. Ondertussen produceert een GGO chymosine. Werken met GGO's laat toe om de productieefficiëntie van de micro-organismen sterk op te drijven. Dit maakt de technologie heel gegeerd. De rijkdom aan micro-organismen is nog voor een groot deel onontgonnen domein. Maar intensieve zoektochten leggen steeds meer nieuwe soorten bloot. Vaak bevatten deze micro-organismen onbekende enzymen met interessante toepassingen. Maar het is niet altijd evident om deze micro-organismen in te zetten voor enzymproductie op grote schaal. Daarom isoleert men het gen voor de nieuwe interessante enzymen met behulp van biotechnologie en brengt men het in goed gekende micro-organismen, die aangepast zijn aan industriële fermentatie. Zo is een optimale productie gegarandeerd. Biotechnologie laat het ook toe om de structuur van de enzymen te wijzigen, waardoor ze efficiënter werken. Zo heeft men bijvoorbeeld enzymen beter bestand gemaakt tegen een aggressieve zeepomgeving. 9

10 Enzymen in ons dagelijks leven Enzymen vreten vlekken op Waspoeders zijn een combinatie van zeep en enzymen. Zeep kapselt losgeweekte vuildeeltjes in. Dat ingepakte vuil spoelt samen met de zeep weg. Hoe hoger de temperatuur, hoe efficiënter. Toch zijn vlekken van bijvoorbeeld chocolade of gras, niet zomaar uit kleren weg te spoelen, omdat ze zich heel sterk vasthechten aan textiel. Om de werking van waspoeders te verbeteren, voegt men al tientallen jaren enzymen toe. Ze breken het vuil af in plaats van het in te kapselen. En de afbraakproducten zijn wel makkelijk weg te spoelen. De enzymen van dienst zijn proteasen en lipasen. Proteasen breken eiwitten af. Lipasen breken oliën en vetten af. Sommige waspoeders bevatten ook amylasen en cellulasen om zetmeel en cellulose af te breken. Zo krijgt men tegenwoordig de hardnekkigste vlekken uit de was, zelfs gras en chocolade! Enzymen verhogen de efficiëntie van waspoeders: De was is proper in een kortere wastijd, want enzymen werken heel snel. Eén enzym kan zorgen voor 1 tot omzettingen per seconde. Het waswater moet minder warm zijn, waardoor minder energie nodig is. Er is minder zeep en water nodig, omdat de enzymen een deel van de functie van zeep overnemen. Het milieu vaart er dus wel bij. Eén derde van de wereldomzet aan industrieel geproduceerde enzymen zit in wasproducten. Het gros wordt aangemaakt door GGO's. Vooral in Europa is de vraag naar enzymen in waspoeders groot, omdat men bij een zo laag mogelijke temperatuur wil wassen. 10

11 Nooit meer vaal en grauw maar blijvend turkoois blauw Wasproducten bevatten soms ook andere enzymen. Kleding krijgt na verloop van tijd een fletse kleur omdat de stof bij het dragen langs het lichaam wrijft. Stoffen bevatten voornamelijk cellulosevezels. Bij wrijving ontstaan er kleine ongekleurde cellulosevezeltjes die naar buiten steken. Deze kleine vezeltjes zitten in de weg van de oorspronkelijke kleur en geven de kleding een afgedragen uitzicht. In sommige waspoeders zit een specifiek cellulase dat deze kleine cellulosevezeltjes afbreekt. En zo fleuren de kleuren weer op! 'Stonewash' zonder stenen Als men vroeger een nieuwe jeans een afgedragen uitzicht wilde geven, waste men die in een wasmachine vol puimstenen; dus letterlijk 'stonewashed'. Maar stenen kunnen jeans en wasmachine beschadigen. Voor een sterker effect drenkte men de stenen daarenboven vaak in - milieuonvriendelijk - zuur. Vandaag zorgt een enzymbehandeling voor stonewashed jeans. Jeans is 100% katoen dat op zijn beurt is opgebouwd uit cellulose. De cellulozevezels in katoen zijn op een complexe manier vertakt. De blauwe kleurstof zit op die vertakkingen gebonden. Met een mengsel specifieke cellulase-enzymen kan men de vertakkingen lichtjes afbreken, waardoor de jeans ontkleurt. Zo komt de blauwe kleur vrij zonder beschadiging van de stof. Door het gebruik van verschillende cellulasemengsels krijgt men allerlei kleurschakeringen in jeans. De jeans wordt door de behandeling trouwens ook soepeler. Chloorvrij gebleekt papier Papier is er in alle kleuren, maar het courantst blijft wit. Houtpulp, de grondstof van papier, bevat een stof die een bruine kleur veroorzaakt: lignine. Vandaar dat ongebleekt papier er wat bruiner uitziet. Lignine verwijderen lukte vroeger enkel met behulp van milieuonvriendelijke, chemische middelen zoals chloor of chloordioxide. Ondertussen stapt men meer en meer over op chloorvrije middelen zoals peroxide, maar die zijn minder efficiënt. Relatief nieuw is het gebruik van enzymen. Men doet een beroep op laccases, enzymen uit houtzwammen. Hun werking in de natuur is duidelijk zichtbaar: de boomstammen waarop houtzwammen groeien, rotten weg en verbleken. Voor de industriële toepassing gebruikt men door GGO's geproduceerde laccases. Ook contactlenzen moeten gewassen worden Dragers van contactlenzen weten het maar al te goed: lenzen hebben 's avonds een badje nodig. In de loop van de dag staan lenzen immers bloot aan heel wat vuil van buitenaf; vuil dat het zicht kan belemmeren of ooginfecties kan veroorzaken. Een regelmatige schoonmaakbeurt is dus essentieel. Ook hier kunnen enzymen instaan voor de afbraak van de vuilresten: papaïne, pancreatine en subtiline. In bepaalde types lensvloeistof zit er minstens één van deze drie enzymen. De afbraakproducten worden makkelijk weggespoeld in de vloeistof waardoor de lenzen weer gebruiksklaar zijn bij het krieken van de dag. 11

12 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven. Enzymen in onze voeding Beter brood bakken Gist laat deeg rijzen, waardoor brood lekker luchtig wordt. Gist zet suikers in het deeg namelijk om in koolzuurgas. Maar bloem bevat te weinig suikers voor een optimale gasontwikkeling. Daarom voegt men amylase toe aan het deeg. Amylase zet het zetmeel uit de bloem om in suikers. De gist in het deeg kan daarmee aan de slag, met een volumineuzer brood als resultaat. Amylase zorgt daarenboven voor makkelijker kneedbaar deeg, een bruinere korst en langer houdbaar brood. Deeg is soms (te) kleverig. Dit komt omdat zemelen (de taaie buitenhuid van de graankorrels) lange complexe suikerketens bevatten, die als lijm werken. Deze 'lijm' bemoeilijkt het rijzen van het deeg en het bakproces. Daarom voegt de bakker vaak xylanase toe. Dit enzym wijzigt de suikerketens. Dit heeft een gunstige invloed op het volume, de kruimelstructuur en de houdbaarheid van brood. Sappiger sap Bij het persen van een sinaasappel kost het vaak moeite om al het sap eruit te krijgen. Om nog te zwijgen van een appel persen. Voor de industriële productie moet fruit uitgeperst worden tot het allerlaatste druppeltje. En dit kan met pectinase. Dit enzym breekt pectine af, dat van nature in de celwand van planten zit. Pectine is een soort kleefstof die de cellen aan elkaar houdt. Zonder pectine wordt de celwand zachter en levert persen meer sap op. De fruitsapindustrie maakt hier al zestig jaar gebruik van. Het fruitsap ziet er na een pectinasebehandeling wel troebel uit door de achterblijvende resten van pectine en zetmeel. Hier bieden amylase en een ander type pectinase de oplossing. Ze breken het zetmeel en de pectine af. Het sap is dan makkelijk te filteren en wordt zo helder gemaakt. 12

13 Voorbeelden van toepassingen van enzymen in ons dagelijks leven Toepassingsgebied Enzym Effect VOEDING Bakkerijproducten Amylase gelijkmatige kruimelstructuur en groot broodvolume Maltogeen Alfa-amylase Xylanase langer behoud van versheid dit was het eerste door GGO's geproduceerde enzym op de markt makkelijker te hanteren deeg en verbeterde kruimelstructuur Zuivelproducten Chymosine stremmen van melk om kaas te maken Protease Lipase afbraak van allergene eiwitten verbeteren van kaasrijping Brouwerij Amylase afbraak van zetmeel tot fermenteerbare suikers Beta-glucanase voorkomen van 'chill-haze' bij pils. (= troebel worden van bier bij het afkoelen) Fruitsappen Pectinase / Amylase verhogen van sapopbrengst en helderheid Wijn Pectinase behoud van kleur en helderheid VEEVOEDING Fytase vrijstellen van fosfor zodat dieren het makkelijk kunnen opnemen NIET-VOEDING Textiel Amylase afbraak van zetmeel in de waslaag die op textielvezels gebracht is ter bescherming van de vezels tijdens het weven Cellulase alternatief voor stonewashing Wasproducten Cellulase afbraak van cellulose in kleinere componenten die zich makkelijker laten wegspoelen Lipase Protease afbraak van lipiden, de belangrijkste component van oliën en vetten afbraak van eiwitvlekken in kleinere componenten die zich makkelijker laten wegspoelen Pulp en papier Lipase afbraak van lipiden in hars. Sommige boomsoorten bevatten veel hars, wat de papierproductie bemoeilijkt (vlekken en gaten) Laccase afbraak van lignine in hout, lignine zorgt voor een - ongewenste - bruine kleur Leer Lipase afbraak van weefselresten die nog aan het leer gehecht zijn Protease afbraak van eiwitten waardoor het leer makkelijker onthaard kan worden en soepeler wordt

14 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven. Enzymen en duurzaamheid Biologisch afbreekbaar Enzymen zijn puur natuur. Ze zijn volledig biologisch afbreekbaar zonder schadelijke restproducten. Een groenere procesindustrie Vaak zet men chemische reacties in voor de aanmaak van producten. Dit gaat meestal gepaard met extreme condities: een hoge of lage zuurtegraad, hoge temperaturen, specifieke (giftige) oplosmiddelen en veel energie. En meestal met relatief veel ongewenste nevenproducten. Het gebruik van enzymen maakt dezelfde reacties mogelijk in waterige oplossingen, bij een mildere zuurtegraad en zachtere temperaturen. Met enzymen bekomt men soms in één stap het gewenste product, waar de chemische reacties twee of drie stappen nodig hebben. Dit alles zorgt voor een lager energieverbruik. En aangezien enzymen heel specifiek tewerk gaan, ontstaat er minder afval onder de vorm van ongewenste bijproducten. Werken met enzymen is dus een duurzamer alternatief. Een chemische industrie gebaseerd op hernieuwbare grondstoffen Petroleum is nog steeds de belangrijkste grondstof voor de productie van brandstoffen. Sinds een aantal jaren zijn 'bioraffinaderijen' in opkomst. Deze raffinaderijen gebruiken hernieuwbare grondstoffen, zoals maïs en koolzaad, voor de productie van biodiesel en bio-ethanol. Deze brandstof is gemaakt met behulp van enzymen. Tegen 2010 moet brandstof in België 5,75 % biobrandstof bevatten. In vergelijking met de traditionele petrochemie hebben bioraffinaderijen verschillende voordelen: ze werken met hernieuwbare grondstoffen, hun producten zijn biologisch afbreekbaar en het productieproces veroorzaakt geen extra broeikasgassen. Ik rij Bio! Da s Logisch. 14

15 PLA! PLA! PLA! PLA! De eerste composteerbare festivalbeker Zomertijd is festivaltijd, jammer genoeg gaat dit gepaard met tonnen afval. De Gentse feesten produceren meer dan 500 ton afval, waarvan een groot deel plastic bekertjes. Festivals doen al jaren inspanningen om die afvalberg binnen de perken te houden. Biotechnologie biedt vandaag een mogelijke oplossing. Door hernieuwbare grondstoffen en enzymen te gebruiken, kan een volledig biologisch afbreekbaar plastic gemaakt worden: PLA (Poly Lactic Acid: polymelkzuur). Het folkfestival van Dranouter koos in 2004 voor de afbreekbare PLA-bekers. Deze bekers zijn binnen de 50 dagen volledig afgebroken tot natuurlijke humus. Dit Belgische festival zorgde daarmee voor een wereldprimeur! GGO's, enzymen en duurzaamheid De productie van enzymen door GGO's draagt ook bij aan de duurzaamheid. Het is veel efficiënter en vergt dus minder energie. De gebruikte GGO's zijn volstrekt veilig. Enzymen zijn uit vele toepassingen niet meer weg te denken. Ze worden al eeuwen gebruikt. Vroeger vertrok men van de natuurlijke bronnen (uitwerpselen, speeksel, maagsap,...). Vandaag maakt men enzymen in grote hoeveelheden industrieel aan. Hiervoor worden moderne technologieën ingezet, waaronder genetische wijziging. Deze technieken en hun producten zijn veilig en dragen bij tot een duurzame ontwikkeling. 15

16 een kijk op Enzymen: in je lijf en in je leven In ons lichaam is het constant superdruk. Continu worden voedingsstoffen afgebroken tot bouwstenen, die onmiddellijk ingezet kunnen worden voor de opbouw van lichaamsstoffen. Tegelijkertijd blijft onze lichaamstemperatuur op peil, is er doorlopend transport van zuurstof en andere levensnoodzakelijke stoffen, maken we nieuwe cellen aan, worden indringers zoals virussen en bacteriën afgeweerd, en nog zoveel meer... duizenden reacties tegelijkertijd, en dat terwijl je rustig een boek leest of naar televisie kijkt. Meer informatie? VIB beschikt over verschillende brochures: 1. Erfelijkheid bij de mens: aan genen zijde 2. Wat is biotechnologie? 3. Biotechnologie: gezondheid 4. Biotechnologie: landbouw en voeding 5. Klonen en celkerntransplantatie 6. De veiligheid van genetisch gewijzigde gewassen 7. Xenotransplantatie: het beest in de mens Enzymen: in je lijf en in je leven Je kan ze gratis aanvragen bij VIB op onderstaand adres. Voor meer informatie kan je contact opnemen met VIB: Rijvisschestraat 120, 9052 Gent Tel / Fax info@vib.be IciLaba