Van aquacultuur tot kankeronderzoek: ontmoet het pekelkreeftje

Beeld: Pekelkreeftje: hét modelorganisme bij uitstek voor diverse biologische disciplines.

Het pekelkreeftje Artemia, amper 1 cm lang in volwassen stadium, heeft zijn naam niet gestolen. Het is namelijk een organisme dat zich doorheen een evolutie van miljoenen jaren wist aan te passen aan extreem zoute wateren. Als we spreken over extreem, dan hebben we het over zoutmeren en zoutpannes waar zoutconcentraties voorkomen die tien keer zo hoog zijn als die van zeewater.  In deze omstandigheden weet het pekelkreeftje als enige ongewervelde te overleven. Een diertje dat in de voedselketting van de zee ten dode is opgeschreven, overleeft dus omdat het als enige is opgewassen tegen de extreme zoutgehaltes.

Het spreekt voor zich dat het kreeftje enkele unieke biologische kenmerken heeft ontwikkeld om in zo’n agressief milieu te kunnen overleven. Zonder al te veel in te gaan op de wetenschappelijke details, gaat het onder meer over een zeer performant osmoregulatie-systeem en de mogelijkheid om hemoglobines aan te maken. Maar er is ook een derde cruciale eigenschap waar ik wel graag wat langer bij stil sta: de unieke manier van voortplanting van dat bijzondere kreeftje.

De voortplanting van het pekelkreeftje

Artemia planten zich op twee manieren voort: via levende nakomelingen en via cysten. Het zijn die cysten die het biologisch wonder vormen dat mij een leven lang heeft geboeid en uiteindelijk ook zorgde voor een impact op wereldschaal. Het zijn die cysten die ik al enkele tientallen jaren het “magic powder” noem.

Over de voortplanting via dat “magic powder” straks meer. Laat ons eerst nog even stilstaan bij “de gewone weg”: levendbarende nakomelingen. Om de vier dagen komen in dat geval tweehonderd of zelfs meer larven ter wereld die in een geschikte omgeving van voedsel en temperatuur in nauwelijks tien dagen uitgroeien tot volwassen diertjes, die op hun beurt larven produceren. De populatie van Artemia kan dus razendsnel aangroeien bij goede omstandigheden.

Maar de natuur is onvoorspelbaar en soms zitten de omstandigheden echt niet goed. Denken we aan droogte waardoor de zoutgehaltes in het water zelfs voor het pekelkreeftje te hoog worden, of aan een nakende winter of voedselschaarste die ervoor kunnen zorgen dat de larven snel afsterven. In dat geval kunnen de moederdieren cysten produceren. Tijdens de ontwikkeling van het embryo in de broedzak stopt de celdeling op ongeveer vierduizend cellen. Deze embryo’s worden op dat moment ingekapseld in een harde cysteschaal waarna de verdere ontwikkeling stopgezet wordt. De cysten (0,2 à 0,3 millimeter groot) ontsnappen uit de broedzak en blijven door de hoge densiteit van het pekelwater op het wateroppervlak drijven (zoals mensen blijven drijven op de Dode Zee) waar ze ronddobberen en door de wind heen en weer worden gedreven als waren het grote stofwolken. Uiteindelijk spoelen de cysten aan op de oevers van het zoutmeer of de zoutpanne.

Ze drogen uit, weerstaan extreme temperaturen (bvb diepvriestemperaturen in Siberië of hoge temperaturen in Iran), maar blijven wonderwel levensvatbaar tot een beter seizoen zich aanbiedt met mildere temperaturen en zoutgehalte. De embryo’s ontwaken (uit een omkeerbare dood) en de stofwisseling start weer op. Na één of meerdere dagen breekt de cysteschaal open en komt een vrijzwemmende larve tevoorschijn die de Artemia-levenscyclus opnieuw kan verderzetten. Misschien wordt nu duidelijk waarom ik zelfs als wetenschapper het woord “magic powder” durf te gebruiken. Een korrel niet groter dan een zandkorrel kan weer tot leven gewekt worden, in sommige gevallen tientallen jaren nadat het leven in de cyste “bevroren” werd. Je kan het vergelijken met zaden die je makkelijk kan bewaren om nadien te laten uitgroeien tot nieuwe planten.

De enorme mogelijkheden van het pekelkreeftje en haar cysten

Dankzij deze unieke biologische kenmerken én het feit dat we vandaag in staat zijn om cysten op grote schaal te produceren (>100 kg per ha per maand), is het wetenschappelijk en commercieel belang van het pekelkreeftje in de voorbije decennia enorm gegroeid. Artemia is uitgegroeid tot hét modelorganisme bij uitstek voor diverse biologische disciplines:

• Kankeronderzoek. Het stoppen van de celdeling bij Artemia heeft uiteraard veel belangstelling opgewekt in kankeronderzoek. Na het jarenlange ontrafelen van het Artemiagenoom heeft een Chinese onderzoeker het gen kunnen identificeren dat instaat voor het heractiveren van metabolische celactiviteit in de cysten. Vervolgens heeft hij dit gen gebruikt om ontwikkeling in kankercellijnen aan- en uit te zetten. De titel van zijn laatste review spreekt voor zich “… From ecology to oncology: to understand cancer stem cell dormancy, ask a brine shrimp (Artemia)”
   
• Epigenetica. Epigenetica bestudeert veranderingen in genexpressie die niet het gevolg zijn van DNA-mutaties, maar van factoren zoals stress, leefomstandigheden, veroudering,…Epigenetici zetten Artemia graag in als experimenteel organisme. Sommige Artemiarassen planten zich uitsluitend voort via parthenogenese, waarbij vrouwtjes nakomelingen krijgen zonder dat er mannetjes aan te pas komen. Dit laat toe om met zogenaamde “klonen” te werken, nakomelingen die 100% het genetisch materiaal van de moeder hebben. Hierdoor kunnen Artemia ingezet worden om over verschillende generaties (die DNA-gewijs identiek zijn) te meten of een effect van bepaalde omgevingsomstandigheden al dan niet blijvend is. En na iedere generatie kan men cysten aanmaken en bewaren. Dit maakt het mogelijk om later simultane testen uit te voeren met nakomelingen geproduceerd over verschillende generaties. De snelheid waarmee Artemia zich voortplanten is een bijkomend voordeel. Binnen de maand heb je een hele nieuwe generatie nakomelingen.
   
• Invloed van kosmische stralingen: Zowel Amerikaanse als Russische ruimtevluchten hebben Artemiacysten gebruikt om de blootstelling aan kosmische straling te meten. Zo bleek dat Artemia-cysten afkomstig van zoutmeren uit Noord-Amerika of uit Siberië onder invloed van kosmische straling verschillende gevoeligheden vertoonden.
   
• Aquacultuur: Veruit de meest verregaande impact heeft het pekelkreeftje op de aquacultuur (vis kweken voor menselijke consumptie). Dit had niet kunnen worden wat het vandaag is, zonder dat bijzondere pekelkreeftje.

Artemia en de prille aquacultuur

Japanse onderzoekers toonden in de jaren ’60 aan dat pas ontloken Artemia-larven bijzonder geschikt zijn als voeding voor diverse soorten garnalen en zeevissen. Ze bleken een heel geschikt alternatief voor natuurlijk plankton.

Opnieuw zorgde het feit dat men in staat was om cysten te produceren voor het cruciale kantelpunt. Cysten drijven af naar de oevers van de zoutmeren en kunnen daar in grote hoeveelheden opgeschept, gedroogd en vervolgens de wereld rond gestuurd worden. Na één dag incubatie in zeewater ontluiken ze tot vrijzwemmende larven. Er was geen goedkoper alternatief denkbaar voor plankton dat voordien door de Japanners moest gekweekt worden in grote bekkens. Ook logistiek boden de cysten nieuwe en ongekende mogelijkheden, omdat ze gedroogd en in blik getransporteerd konden worden. Vreemd genoeg bleef het werk van de Japanse onderzoekers grotendeels onbekend.

Eind jaren ‘60 vatte ik mijn licentiaatsthesis in de biologie aan in de toenmalige Rijksuniversiteit Gent. In een labo onderzochten Professor Fautrez zaliger en Dr. Criel de embryologie van Artemia. Ik kreeg als opdracht om een standaard kweektechniek voor Artemia te ontwikkelen zodat het onderzoek eindelijk verlost zou worden van de vele problemen bij het opkweken van Artemia tot het volwassen stadium.

Toen ik in 1972 afstudeerde, was ik er mij nog steeds niet van bewust dat Artemia als voedsel gebruikt werd in de aquacultuur. Zoals ik al zei, die nieuwe ontwikkeling was simpelweg nog niet tot in Gent doorgedrongen. Dat besef kwam er pas tijdens een studieverblijf aan het Duke University Marine Laboratory in Beaufort, North Carolina. Daar stelde ik vast dat onderzoekers Artemia gebruikten om larven van kreeftachtigen verder op te kweken om hun larvale metamorfose te kunnen bestuderen. Het was op die plek dat ik voor het eerst hoorde over de Japanners die Artemia gebruiken als voedselbron voor de kweek van vislarven. Dit alles vormde de aanzet voor mijn doctoraatsstudie over het optimaliseren van het gebruik van Artemia in de aquacultuur.

Het is eigenlijk bijna niet meer in te beelden hoe klein het allemaal begon. Midden jaren ’70 verkochten slechts twee bedrijven in de Verenigde Staten niet meer dan enkele honderden kilogram cysten per jaar: cysten uit de zoutpannes in de baai van San Francisco (California) en van het grote pekelmeer (Great Salt Lake) in Utah. Dat beide zoutpannes in Amerika lagen, speelt een cruciale rol in het verdere verhaal. Vandaag bedraagt de jaarlijkse handel 3.500 ton…

De explosieve groei van de vraag naar Artemia (van de Verenigde Staten naar Azië)

Met de snelle groei van de nieuwe aquacultuur steeg de vraag naar Artemia-cysten zienderogen. Al snel bleek dat luttele honderden kilogram per jaar onvoldoende waren. Dit resulteerde in een snel stijgende prijs van de cysten. En dan had je nog het geopolitieke en economische aspect. Het was met name in arme (en vaak communistische) landen als Vietnam en de Filipijnen dat aquacultuur kon ontwikkeld worden, maar het was ondenkbaar dat zij van de Verenigde Staten afhankelijk zouden zijn voor hun visvoer.

In 1976 werd in Kyoto (Japan) het eerste FAO Technical Conference on Aquaculture georganiseerd. Bij aanvang van dit congres werd gedrukt op de noodzaak om alternatieven voor Artemia te zoeken, met name omwille van de geopolitieke context. Men kon immers niet tolereren dat arme landen in het zuiden afhankelijk waren van andere staten om, met behulp van Artemia, via aquacultuur hun voedselproductie op te drijven. En aangezien men dacht dat Artemia enkel voortkwamen in Great Salt Lake en de San Francisco Bay was er geen andere weg dan alternatieven te vinden voor Artemia. Ik was op dat congres, een jaar nadat ik mijn doctoraat had afgelegd. Als jonge onderzoeker wist ik er de vergadering te overtuigen dat er wél oplossingen bestonden om Artemia grootschalig in te zetten voor aquacultuur. En dat een alternatief dus niet strikt noodzakelijk was. Dat is waarom ik (eerst bij mezelf en daarna luidop) dacht: we moeten geen alternatief voor de Artemia vinden, maar wel voor het Great Salt Lake. Je zou kunnen stellen dat daar op dat congres mijn persoonlijke missie een heel concrete vorm kreeg die daarna eigenlijk nooit meer is veranderd: aantonen dat Artemia op heel veel plaatsen voorkomt en/of gekweekt kan worden. En zo dus ook de arme landen in staat stellen om zelf hun Artemia te kweken, dicht bij de plek waar ze hun aquacultuur ontwikkelden.

Met de steun van FAO kon ik in 1978 het Artemia Reference Center oprichten binnen de Gentse Universiteit. We toetsten (en doen dat nog altijd) er de theoretische kennis aan de praktijk op het veld, en dat laatste mocht letterlijk genomen worden. Samen met mijn medewerkers spendeerde ik vele maanden per jaar in de zoutvelden bij de boeren in de arme landen, en dat doe ik nog steeds. Dat alles leidde tot zeer realistische toepassingen, eerst in Azië, later in Latijns-Amerika en Afrika.

Leven voor de wetenschap

Dankzij doorgedreven interdisciplinair onderzoek en internationale samenwerking boekte het Artemia-onderzoek aan de UGent snelle vooruitgang. Dit leidde in 1983 tot de oprichting van de spin-off “Artemia Systems”. Artemia Systems werd later overgenomen en is intussen uitgegroeid tot dé wereldspeler in de larvale voeding van aquacultuur-organismen.

Zelf besliste ik mijn leven aan de wetenschap te wijden, zowel de fundamentele (in het ARC) als de toegepaste, ter plekke op de velden van de zoutboeren die we leerden om Artemia te kweken in hun zoutpannes. Ik zette samen met mijn collega’s van het Artemia Reference Center sterk in op internationaal onderwijs en onderzoek waardoor vele honderden studenten uit verschillende continenten een Master of doctoraatstitel behaalden en ervoor zorgden dat de aquacultuur bij de terugkeer naar hun land daar verder kon ontwikkeld worden.

Waar gedurende lange tijd alle toepassingen met Artemia vooral gericht waren op cysten is de interesse in Artemia-biomassa (de volwassen dieren) snel aan het toenemen: niet alleen voor gebruik als extra voedselbron in de aquacultuur (uitstekende eiwitbron voor de latere stadia) maar ook als hoogwaardig dierlijk eiwit voor toepassing in de dierlijke of zelfs de menselijke voeding.