Aminozuren zijn de fundamentele bouwstenen van eiwitten, die essentieel zijn voor talloze biologische processen. Hoewel ze minder bekend zijn dan eiwitten zelf, is het begrijpen van aminozuren cruciaal voor het begrijpen van de eiwitsynthese en de algehele gezondheid. Dit artikel duikt dieper in de wereld van aminozuren, hun functies, bronnen en de fascinerende rol die ze spelen in micro-organismen.
Wat zijn Aminozuren?
Eiwitten zijn opgebouwd uit verschillende aminozuren; aminozuren zijn als het ware de bouwstenen voor eiwitten. Je lichaam breekt eiwitten af tot aminozuren, waarvan ongeveer een kwart wordt verbrand als energie, de rest gaat naar de aanmaak van lichaamseigen eiwitten. De darmwand is niet in staat om eiwitten op te nemen omdat deze te groot zijn. Daarom moeten eiwitten eerst afgebroken worden tot kleinere stukjes, de eerder genoemde aminozuren. Je lichaam heeft 22 soorten aminozuren nodig, verdeeld in essentiële, niet-essentiële en semi-essentiële aminozuren. Essentiële aminozuren kunnen niet door het lichaam zelf worden aangemaakt, semi-essentiële aminozuren alleen in bepaalde omstandigheden niet, bijvoorbeeld door een ziekte of na een operatie. De 9 essentiële aminozuren die je lichaam niet zelf kan aanmaken zijn: histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, fenylalanine, threonine, tryptofaan en valine.
Bronnen van Essentiële Aminozuren
Essentiële aminozuren zitten in zowel dierlijke als plantaardige eiwitten. Het meeste haal je uit dierlijke eiwitten zoals vlees, eieren en gevogelte. Eet je vegetarisch of veganistisch, dan kun je dus ook je essentiële aminozuren halen uit plantaardige eiwitten. Heb je het gevoel dat je best eens een tekort zou kunnen hebben? Natuurlijk kun je niet altijd jezelf diagnosticeren, een bezoekje aan de huisarts kan daarom nooit kwaad. Heb je uit voeding onvoldoende essentiële aminozuren, dan kunnen supplementen* een oplossing bieden.
Aminozuren Supplementen
Haal je uit voeding onvoldoende essentiële aminozuren, dan kunnen supplementen* een oplossing bieden. Enkele voorbeelden van supplementen zijn:
- Bonusan DL phenylalanine 400 mg 60 capsules: DL-phenylalanine Plus draagt, dankzij vitamine B6, bij aan een normale werking van het zenuwstelsel**.
- Bonusan BCAA 500 mg 120 capsules: de Branched Chain Amino Acids (BCAA), L-Leucine, L-Isoleucine en L-Valine, vormen een structureel bestanddeel van spierweefsel en maken ongeveer 30% uit van dit eiwit. De onderlinge verhouding van de BCAA’s komt overeen met de verhouding in de spieren.
- Vitals L-lysine 500 mg 60 vcaps: bevat de natuurlijke L-vorm van lysine, niet de synthetische D-vorm. Lysine voor gebruik in voedingssupplementen wordt geproduceerd door middel van fermentatie door micro-organismen.
- Vitakruid Zink methionine koper 90 vcaps: Zink Methionine & Koper heeft verschillende functies in het lichaam. Zink is een component van een groot aantal enzymen die het immuunsysteem ondersteunen**.
- Vital Cell Life Threonine 500 mg 100 capsules: bij onvoldoende inname van het essentiële aminozuur threonine via de voeding of om het lichaam van extra threonine te voorzien.
- Bonusan L-Tryptofaan plus 500 60 capsules: L-Tryptofaan is een natuurlijk aminozuur dat het lichaam niet zelf kan aanmaken.
*Voedingssupplementen zijn geen vervanging van gezonde voeding.
Aminozuren en Micro-organismen
Micro-organismen spelen een cruciale rol in de productie van aminozuren, zowel in natuurlijke processen als in industriële toepassingen. De fermentatieve bereiding van aminozuren is een belangrijk gebied van onderzoek en ontwikkeling.
Fermentatieve Bereiding van Aminozuren
De uitvinding beeft betrekking op een werkwijze voor de fermentatieve bereiding van aminozuren. De eindigheid van natuurlijke hulpbronnen werd in het recente verleden ingezien en hun doelmatige benutting is een algemeen gespreksonderwerp geworden, maar de doelmatige benutting van deze hulpbronnen staat nog in haar kinderschoenen. Zo werd b.v. in 25 een FAC-studie erop gewezen, dat van de 7¾ miljoen ton wei, die over de gehele wereld in 1973 werd geproduceerd, slechts de helft werd gebruikt en wel in hoofdzaak als veevoeder, en de rest werd weggeworpen. Dit betekent dat meer dan 2 miljoen ton lactose en meer dan 300.000 ton waardevolle eiwitten in dat jaar verloren gingen, omdat van kaas- of caseïnefabrieken afkomstige wei ca. 5% lactose en ca. 1% eiwitten bevat. Deze situatie betekent niet alleen, dat natuurlijke hulpbronnen verloren gaan, maar tevens ontstaat hierdoor een ernstig opruimingsprobleem uit een oogpunt van milieuvervuiling, en aldus bestaat de reeds lang gevoelde behoefte aan betere werkwijzen voor de benutting van wei. Ondanks voortdurende inspanningen door de zuivelindustrie gedurende de afgelopen 10 jaar slaagde zij niet in het verschaffen van een bevredigende oplossing voor dit probleem. Een van de uitvoerig onderzochte benaderingen bestond uit de fermentatieve benutting van wei.
Bij bekende fermentatieve of gistingsprocessen voor de bereiding van aminozuren, waarbij een enkele stam micro-organismen wordt gebruikt (monocultuurmethode), zijn de bruikbare uitgangsmaterialen dan ook beperkt tot die welke doelmatig kunnen worden geassimileerd of gemetaboliseerd door de gekozen stam, en het rendement wordt beheerst door die fundamentele genetische eigenschappen van de stam, die nauwelijks kunnen worden verbeterd door kunstmatige mutatie. Anderzijds bleek onlangs, dat genetische ingenieurstechnieken een belofte inhouden als een techniek voor het scheppen van mutant stammen van micro-organismen, maar desondanks wacht de aanvaarding van deze technieken op industriële schaal nog steeds op oplossing van vele problemen.
Volgens de werkwijze overeenkomstig de uitvinding kunnen aminozuren langs fermentatieve of gistingsweg worden bereid door gebruik te maken van koolstofbronnen die door aminozuren vormende micro-organismen niet of zwak kunnen worden geassimileerd, door het kweken van aminozuren vormende micro-organismen bij aanwezigheid van melkzuur-micro-organismen die reeds lang worden gebruikt voor de bereiding van voedingsmiddelen en dranken, en aldus biedt de uitvinding de mogelijkheid tot uitgebreid gebruik van uitgangsmaterialen overeenkomstig het assimileringsvermogen van de gebruikte melkzuur-micro-organismen. M.a.w., de uitvinding heeft in hoofdzaak hetzelfde doel bereikt als dat door genetische ingenieurstechnieken zou kunnen worden bereikt, doordat de uitvinding de mogelijkheid heeft gegeven tot het in hoofdzaak verlenen van genetische eigenschappen van melkzuur-micro-organismen aan aminozuren vormende micro-organismen door middel van een eenvoudige en veilige techniek.
Gemengde Kweek voor Aminozuurproductie
Er zijn enkele vermeldingen van een methode voor gemengde kweek. David E.F.Harrison heeft de omvang en mogelijkheden van de toepassing van gemengde cultuur op industriële fermentatie bekeken. Betreffende de vorming van aminozuren door gemengde populaties van micro-organismen heeft M.Suzuki en S.Yamatodani gerapporteerd, dat L-glutamine-zuur in grote hoeveelheden werd gevormd door gemengde cultuur van Escherichia coli (E) en een stam van Corynebacterium (A); als mechanisme toonden zij aan, dat α-ketoglutaraat wordt verrijkt door de S-stam en dat α-ketoglutaraat op zijn beurt wordt geamineerd door de A-stam onder vorming van L-glutamaat. Bij deze werkwijze moet de E-stam het vermogen hebben α-ketoglutaraat, een voorloper van glutaminezuur, te vormen, welk feit in hoofdzaak verschilt van de uitvinding.
Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt aangenomen, dat het door melkzuur-micro-organismen gevormde melkzuur prompt wordt benut door aminozuren vormende micro-organismen, met als gevolg dat het uitgangskoolhydraat kan worden omgezet in aminozuren in een eentrapsbewerking. Volgens de werkwijze overeenkomstig de uitvinding gevormde aminozuren zijn b.v. Hoewel het mechanisme van het proces volgens de uitvinding nog dient te worden opgehelderd, kan men zich een mechanisme voorstellen, met behulp waarvan melkzuur als hoofdbestanddeel bevattende metabolieten worden gevormd uit een koolhydraat door een melkzuur-micro-organisme en vervolgens worden geassimileerd door een aminozuren vormend micro-organisme om aldus te worden omgezet in een aminozuur. Men kan zich een systeem voorstellen, waarbij het eerste micro-organisme - een melkzuur-micro-organisme (L) - de glycolyse van een koolhydraat beheerst, en het tweede micro-organisme - een aminozuren vormend micro-organisme (A) - de vorming van aminozuur uit deze melkzuur als hoofdbestanddeel bevattende metabolieten die worden gevormd door het eerste micro-organisme, beheerst.
Allereerst worden organische materialen die onbruikbaar waren als uitgangsmateriaal voor fermentatie als gevolg van het feit, dat zij niet assimileerbaar of zwak assimileerbaar zijn door aminozuren vormende micro-organismen, bruikbaar voor toepassing als uitgangsmateriaal voor aminozuurgisting. Zo kunnen b.v. uit fabrieken afgevoerde kaaswei of caseinewei worden gebruikt als een geschikt uitgangsmateriaal voor de werkwijze volgens de uitvinding. Ten tweede, de uitvinding draagt bij tot vermindering van milieuvervuiling, omdat in wei of van zetmeelfabrieken afkomstig vloeibaar of vast afval aanwezige organische materialen worden omgezet. Ten derde, het gistingsrendement wordt opmerkelijk verbeterd in vergelijking met dat van monocultuurmethoden. Wanneer gebruik wordt gemaakt van een aminozuren vormend micro-organisme met een sterk vermogen melkzuur te assimileren, dan is de verbruikte hoeveelheid per tijdseenheid van een koolhydraat als substraat, welke hoeveelheid per tijdseenheid vaak evenredig is met de gevormde hoeveelheid product per tijdseenheid, een functie van de activiteit van een melkzuur-micro-organisme, d.i., de snelheid van de melkzuurgisting. Bij een systeem van gemengde cultuur volgens de uitvinding wordt het door melkzuur-micro-organismen gevormde en opgehoopte melkzuur snel verbruikt door aminozuren vormende micro-organismen, met het resultaat, dat naar alle waarschijnlijkheid hetzelfde effect wordt verkregen als dat van dialysefermentatie, die fermentatie versnelt door het verwijderen van producten via een membraan. Als gevolg hiervan wordt de sterke activiteit van melkzuur-micro-organismen gehandhaafd. Aangenomen kan worden, dat er tevens een mogelijkheid bestaat, dat de grote snelheid van de melkzuurfermentatie wordt gehandhaafd door een onbekend synergistich effect, zoals b.v. een versnellingseffect dank zij de ontleding van waterstofperoxyde, waarvan verwacht kan worden, dat het het metabolisme belemmert, door katalase die ontbreekt bij melkzuur-micro-organismen maar wordt geleverd door aminozuren vormende micro-organismen. Ten vierde, het voordeel van de uitvinding berust op de bestendigheid tegen besmetting door vreemde micro-organismen. De bovenstaand vermelde publikatie van David E.F.Harrison vermeldt bestendigheid tegen besmetting door vreemde organismen als een voordeel van gemengde cultuur. Bij de werkwijze volgens de uitvinding, waarbij gebruik wordt gemaakt van melkzuur-micro-organismen zijn waarschijnlijk antimicrobische materialen (b.v. nisine van Streptococcus lactis en diplococcine van Streptococcus cremoris enz,) betrokken bij het tot een minimum beperken van de uitwerking van besmetting door vreemde micro-organismen.
Synthetische Biologie en Aminozuren
Syn57 is een variant van de bekende darmbacterie E. coli, een van de best bestudeerde organismen ter wereld. Waar klassieke genetische modificatie stukjes DNA invoegt of weghaalt, is hier iets anders gebeurd. Vier jaar lang herschreven de onderzoekers de bacteriële DNA-sequentie. In totaal pasten ze meer dan 101.000 bouwstenen aan. Elke wijziging was gepland, gecontroleerd en ingebouwd als een update in een softwareproject. De kern van het experiment zit in de codons, de drieletterige “woorden” van DNA die bepalen welke aminozuren in een eiwit terechtkomen. In de natuur bestaan 64 mogelijke codons. Bij eerdere pogingen was dat aantal al teruggebracht naar 61. Syn57 gaat verder en werkt met slechts 57 codons. Die “lege” codons kunnen later een nieuwe betekenis krijgen, bijvoorbeeld om volledig kunstmatige aminozuren in te bouwen in eiwitten. Daarmee kan Syn57 eiwitten maken die niet meer beperkt zijn tot het standaardrepertoire van de biologie. Door deze herstructurering gaat Syn57 zich gedragen als een programmeerbaar platform. Onderzoekers vergelijken dit soms met het verschil tussen een oude computer vol legacy-software en een strak ingericht besturingssysteem met duidelijk gedefinieerde functies. Door de biologische taal te versimpelen, kan Syn57 zeer zuivere eiwitten en chemische stoffen produceren. Ongewenste varianten, die bij natuurlijke cellen vaak opduiken door kleine verschillen in codongebruik, komen hier veel minder voor.
Een opvallend gevolg van het herschreven genoom is de virale immuniteit van Syn57. Veel bacterievirussen, zogenaamde fagen, zijn volledig aangepast aan de standaard genetische taal van E. coli. Bij Syn57 loopt dat proces vast. De codons die virussen verwachten, ontbreken of hebben een andere betekenis. Syn57 spreekt een genetische taal die voor alledaagse virussen onleesbaar wordt. Dit heeft directe praktische waarde. Productieplatforms die medicijnen of enzymen maken, worden in fabrieken regelmatig geplaagd door virale besmettingen die hele batches onbruikbaar maken. Daarnaast is er nog een veiligheidslaag: Syn57 kan zijn genetisch materiaal niet zomaar delen met natuurlijke bacteriën. De kans dat haar synthetische code “weglekt” in het milieu blijft daardoor klein. De keerzijde van het radicale ontwerp is dat Syn57 nog niet erg efficiënt groeit. Vergeleken met standaard E. coli deelt de bacterie zich ongeveer vier keer zo traag. Onderzoekers in Cambridge verwachten dat dit vooral een optimalisatieprobleem is.
Wie naar Syn57 kijkt als een productietool, ziet een lange lijst mogelijke toepassingen. Micro-organismen worden al gebruikt om bier te brouwen, insuline te maken en bioplastics te produceren. Met een synthetisch genoom wordt die rol veel preciezer. Omdat het genoom zo controleerbaar is, kunnen bedrijven makkelijker aantonen dat een stam stabiel blijft en geen ongewenste mutaties opstapelt. Een ander perspectief: aangepaste bacteriën als therapie in het menselijk lichaam. Syn57-achtige platformen kunnen zulke concepten veiliger maken. Door het niet-standaard genetische alfabet kunnen ze minder makkelijk genetisch materiaal uitwisselen met de natuurlijke darmflora. Los van de industriële voordelen schuift Syn57 een oud filosofisch vraagstuk naar de voorgrond. Biologen zien leven vaak als een combinatie van eigenschappen: zelforganisatie, erfelijkheid, metabolisme. Syn57 voldoet daaraan, maar de genetische code erachter is door mensen geoptimaliseerd. Voor juristen en ethici levert dit praktische vragen op. Hoe registreer je zulke organismen? Als uitvinding, met patenten op het volledige genoom? Als nieuwe soort? Ook religieuze en culturele opvattingen over schepping en natuur komen onder druk te staan.
Van DNA naar eiwit: transcriptie en translatie
Cupriavidus Necator: Een Bacterie met Potentie
Een bacterie die kan groeien op een mengsel van koolstofdioxide, zuurstof en waterstof kan worden overgehaald om verschillende nuttige producten te produceren, zoals aminozuren, melkeiwitten en bouwstenen voor farmaceutica. De bacterie Cupriavidus necator werd oorspronkelijk geïsoleerd uit de bodem nabij de Duitse stad Göttingen en was tot nu toe beroemd om zijn vermogen om bioplastics te produceren. Sandy Schmidt, een assistent-professor aan het Groningen Research Institute of Pharmacy (Rijksuniversiteit Groningen, Nederland), wil dit micro-organisme op een andere manier gebruiken. ‘Het groeit normaal gesproken op suiker, maar het kan worden gevoed met een mengsel van koolstofdioxide, zuurstof en waterstofgassen,’ legt Schmidt uit. Door de metabolische routes van de bacterie aan te passen, is het mogelijk om bijvoorbeeld het aminozuur lysine, een belangrijk bestanddeel van diervoeder, te overproduceren. ‘En we doen onderzoek voor een bedrijf dat veganistische kaas wil maken,’ zegt Schmidt. ‘Hiervoor moet onze bacterie melkeiwitten maken.’ Ze heeft al enige melkeiwitproductie bereikt; echter, nieuwe genetische hulpmiddelen zijn nodig voor het lysineproject. Schmidt werkt al ongeveer twee jaar aan deze projecten en verwacht binnen twee tot drie jaar tastbare resultaten. ‘Tegen die tijd zouden we stammen moeten hebben die grote hoeveelheden van de vereiste producten produceren. De volgende stap - het opschalen van de bioreactoren naar industriële grootte - kan echter nog eens vijf jaar duren.’
Naast de opschaling bevat het gasmengsel dat ze de bacteriën wil voeren zuurstof en waterstof - een zeer explosieve combinatie. Als alles goed gaat, kunnen bioreactoren naast staal- of chemische fabrieken worden geplaatst, zoals Tata Steel of BASF. Schmidt: ‘De afvalgassen van deze fabrieken kunnen ook zwavel of zware metalen bevatten, maar onze bacterie is redelijk resistent tegen dergelijke verontreinigingen, dus we hoeven de gassen niet erg te zuiveren.’ Een nadeel van haar superbug is dat het vreselijk stinkt. Het micro-organisme Cupriavidus necator kan groeien op een mengsel van zuurstof (O2), waterstof (H2) en koolstofdioxide (CO2). Het gebruikt een enzym genaamd RuBisCO om CO2 te fixeren, en een enzym genaamd hydrogenase om energie te genereren voor zijn groei. Door zijn genoom en metabolisme aan te passen, en extra enzymen (biokatalysatoren) aan de cellen toe te voegen, kunnen waardevolle chemicaliën rechtstreeks uit CO2 door het micro-organisme worden geproduceerd. Ondanks deze nadelen lijkt Cupriavidus necator het potentieel te hebben van een gans met gouden eieren. Naast aminozuren en eiwitten kan het bouwstenen voor farmaceutica produceren. Schmidt houdt FutureCarbonNL (een samenwerking van Nederlandse universiteiten, waaronder de Rijksuniversiteit Groningen, kennisinstellingen, chemische en andere industrieën, MKB en start-ups) in de gaten, dat een meerjarig miljoenenvoorstel heeft ingediend bij het Nationaal Groeifonds, geld dat gebruikt moet worden voor investeringen in onderzoek naar CO2-afvang.
tags: #is #aminozuur #een #micro #organismen