Ruim 1 miljard pintjes. Zoveel bier wordt er jaarlijks getapt met de technologie van het VIB-KU Leuven Centrum voor Microbiologie. “En het werkelijke cijfer is waarschijnlijk een veelvoud”, zegt wetenschappelijk directeur Kevin Verstrepen. Tot ver over de landsgrenzen maakt zijn team bier smaakvoller, troebeler of rijker aan alcohol. Maar ze maken evengoed superieure chocolade of optimaliseren industriële toepassingen, zoals bioplastics. En dat is slechts een deel van het verhaal. Het Centrum doet ook fundamenteel onderzoek naar de basisprincipes van genetica en celbiologie. De gemene deler in dit alles? Ogenschijnlijk banale micro-organismen die we al eeuwen domesticeren: gistcellen. 

We schrijven 1836. Charles Darwin is met de HMS Beagle op de terugweg naar Engeland. Slurpend van een glas bier denkt hij na over een van de laatste gaten in zijn ontluikende theorie: hoe valt geleidelijke verandering te rijmen met nieuwe eigenschappen die schijnbaar uit het niets opduiken? Wel, de wetenschapper had eigenlijk het antwoord in handen. 

Op basis van onderzoek met biergist, Saccharomyces cerevisiae, ontrafelden onderzoekers van de Leuvense tak van VIB (Vlaams Instituut voor Biotechnologie) bijna twee eeuwen later het principe van genetische tandemherhalingen, stukjes DNA die kop aan staart herhaald worden. Die leiden niet enkel tot neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Huntington en Alzheimer, maar kunnen er ook in de positieve zin voor zorgen dat cellen zich razendsnel aanpassen aan hun omgeving. Rapid evolution, zeg maar.  
 

“Vroeger dacht men dat een groot deel van ons DNA nutteloos was. Dat zogenaamde junk-DNA zou per toeval in ons genoom beland zijn”, licht professor Verstrepen toe. “Maar  dankzij recente inzichten in genetica weten we wel beter. Een voorbeeld zijn wat we noemen tandemherhalingen: stukjes DNA die een aantal keer na elkaar herhaald worden. Cellen hebben moeite om de herhalingen correct te kopiëren en door te geven. Ze voegen soms stukjes DNA toe of verwijderen een aantal van de herhalingen. De kopie verschilt daarom geregeld van het origineel en dat heeft dan weer invloed op de activiteit van het gen of zelfs naburige genen. Zo toonden wij aan dat die onstabiele tandemherhalingen in sommige gevallen nuttig kunnen zijn om bepaalde eigenschappen snel te laten evolueren zodat het organisme zich kan aanpassen aan een veranderend milieu.”

Dat de theorie werd gestaafd met gistonderzoek is geen toeval. Gistcellen hebben celkernen en zijn dus eukaryoten, net zoals menselijke cellen. Daarom staan ze gekend als een van de beste genetische modelorganismen. Bovendien zijn ze makkelijk te manipuleren en planten ze zich razendsnel voort – elke twee uur als ze zich goed voelen. Dat maakt ze dankbaar voor onder andere medisch onderzoek.

Het is Charles Darwin overigens vergeven dat hij niet wist dat tandemherhalingen een versnellingsmachine voor evolutie zijn. De functie van DNA als genetische drager was nog lang niet gekend, en ook de rol van gistcellen in fermentatieprocessen was nog niet beschreven.  Louis Pasteur, een tijdgenoot en pionier op het vlak van toepassingen van micro-organismen, ontdekte pas in het midden van de 19e eeuw dat het bezinksel van bier uit gistcellen bestaat. En pas in 1883, een jaar na de dood van Darwin, isoleerde Emil Hansen van de Carlsbergbrouwerij voor het eerst gistcellen om mee aan de slag te gaan.

Verstrepen: “Intussen zijn we de achterstand aan het inhalen. Met de hulp van robotica en chiptechnologie kunnen we miljoenen experimenten tegelijk doen rond het kweken en analyseren van verschillende soorten gist. Het gaat nu razendsnel. Niet enkel voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek. Gist speelt ook een cruciale rol in de ontwikkeling van tal van industriële toepassingen, van farmaceutica en bioplastics tot voeding en dranken.”

Hoewel het VIB-KU Leuven Centrum voor Microbiologie actief is binnen verschillende industriële domeinen, is het de laatste 10 jaar vooral uitgegroeid tot een wereldautoriteit in de biersector. Brouwers staan in de rij om het centrum te consulteren.   

Een van de eerste wapenfeiten vond plaats in januari 2011. Voor de 800e verjaardag van de gemeente Landen werd toen het bier Tumulus 800 ontwikkeld. Wat maakte het bier zo speciaal? Een supergist. Verstrepen: “We hebben verschillende gisten met elkaar gekruist om perfect te voldoen aan de wensen van de brouwer. Gist doet immers veel meer dan enkel suiker in alcohol omzetten. De micro-organismen zijn bijvoorbeeld bepalend voor de smaak en de helderheid van het bier. In dit geval produceerde onze supergist extreem veel aromastoffen, maar had het toch een hoge vergistingsgraad. Het resultaat was een aromarijk bier dat toch erg drinkbaar was.”

Het experiment smaakte meteen naar meer. Maar om een versnelling hoger te schakelen in de creatie van supergisten moest het team eerst de enorme verscheidenheid aan biergisten in kaart brengen. Dat zou hen op termijn toelaten om van alle mogelijke kruisingen exact te achterhalen welk type bier ze opleveren.

Industriële gisten verschillen sterk van het oorspronkelijke ras uit de natuur. Dat komt doordat brouwers alsmaar geschiktere gisten kozen en die consequent opnieuw gebruikten in volgende brouwsels om bepaalde eigenschappen zoals smaak en alcoholpercentage te optimaliseren. Hoe, waar en wanneer die evoluties plaatsvonden staat sinds 2016 te lezen in een heuse biergistenstamboom, die begint bij het oorspronkelijke biergist uit de natuur. 

In de stamboom is van 157 verschillende biergistrassen het volledig genoom bepaald. Op basis daarvan kon een algoritme bepalen welke rassen gelijke veranderingen in het DNA vertonen en dus een plekje dicht bij elkaar op de boom verdienen. 

Interessant om te zien is bijvoorbeeld dat verschillende subgroepen van de stamboom aantonen dat brouwers doorgaans trouw zijn gebleven aan lokale gisten. Ter illustratie: gisten van Belgische biertjes wijken sterk af van hun Britse concurrenten.

Onder het motto ‘hoe meer nageslacht, hoe meer eigenschappen je kan kiezen’ draait de kweekrobot van het lab al meer dan 5 jaar overuren, met duizenden nieuwe gistvarianten als resultaat. Die worden elk afzonderlijk geëvalueerd. 

“Beeld je brouwerijen van twee bij twee centimeter in”, legt Kevin Verstrepen uit. “In samenwerking met onze buren van het interuniversitaire micro-electronice centrum imec maakten we chips waar microdruppels bier ingebed worden in olie. We kunnen daar gisten in brengen, een gist per druppel, en enkele duizenden gisten per chip. De chip evalueert vervolgens de fermentatievaardigheden van elke gistvariant. En elke gist kan je voor om het even welke toepassing verder laten evolueren. Kortom, Darwin in een proefbuis."

“Met genetische modificatie zou het pas echt kinderspel worden. Een efficiënt brouwproces, een 100% voorspelbare smaak, enorme productievolumes … het kan allemaal op een veilige manier. Maar brouwerijen huiveren van ‘artificieel bier’. De consument moet het idee hebben dat hun bier ambachtelijk gemaakt is, dus blijven we met enige tegenzin weg van gentechnologie en houden we het op kweken. Al zien we de laatste jaren toch signalen van een kentering.  Meer en meer mensen begrijpen dat gentechnologie een puzzelstuk kan zijn van een meer duurzame, groene en efficientere economie.”

In 2017 volgde een nieuwe stap. Met de steun van AB InBev en een 20-tal andere industriële partners, richtte professor Verstrepen een experimentele brouwerij op in het Kasteelpark Arenberg van de KU Leuven. Zo ging de productiecapaciteit plotsklaps van 10 naar 500 liter.  “Hierdoor kan het team veel beter nabootsen wat er gebeurt in echte brouwerijen", gaat Verstrepen verder. "Gisten gedragen zich soms anders in grote hoeveelheden dan we verwachten op basis van kleinere volumes.”

“De concrete vragen waarmee we in de brouwerij aan de slag gaan, vallen uiteen in twee categorieën. Enerzijds werken we aan de efficiëntie van het fermentatieproces. Hoe kan je het brouwproces inkorten? Of hoe kan je water besparen door pilsbier met een hogere alcoholconcentratie te brouwen en daarna aan te lengen met water? Anderzijds kijken we naar de kwaliteit. Hoe maak je bijvoorbeeld een lekker alcoholvrij bier?”

Kevin Verstrepen deelt zijn kennis niet enkel met binnen- en buitenlandse brouwerijen, ook het grote publiek mag meeproeven. Eind 2018 publiceerde hij een boek ‘Belgisch bier, getest en geproefd’, waarvoor hij 250 Belgische bieren analyseerde aan de hand van 300 wetenschappelijke parameters.

“We wilden de Belgische biercultuur wetenschappelijk objectiveren”, zegt Verstrepen. “En dat is gelukt. Zo ontkrachten we enkele hardnekkige mythes – Westvleteren en Sint-Bernardus verschillen meer dan mensen denken – en leggen we onverwachte verbanden bloot – denk aan het verwantschap tussen Duvel en Kapittel. Het nadeel: achteloos een biertje drinken op café zit er niet meer in. Voor niemand in het labo. We zitten eerst 5 minuten met onze neus in het glas.”

De voorbije jaren bleef het team aan een hoog tempo doorwerken. Zo ontdekten ze onder meer dat bieren als trappist hun succes te danken hebben aan Middeleeuwse supergisten. Intussen kunnen geïnteresseerden sinds september 2020 ook een internationaal postgraduaat mouten en brouwen volgen aan de KU Leuven, waar Verstrepen samen met andere collega’s van de KU Leuven en experten van AB InBev de wetenschap en techniek achter de bierbrouwerij uit de doeken doen. Er kwam zelfs een gratis online cursus rond biertechnologie, die intussen wereldwijd al 20.000 studenten wist aan te trekken. 

De verwezenlijkingen in de biersector mogen dan misschien het meest tot de verbeelding spreken, de gistexperts zijn actief op veel meer terreinen. Wat meteen opvalt als het niet om voeding of dranken gaat: moleculaire ingenieurstechnieken staan op de voorgrond. Zo lopen er projecten rond bio-ethanol en bioplastics waarbij genetische modificatie, genome editing en synthetische biologie allemaal fair game zijn.

Verstrepen: “Soms ontwerpen we hele stukken geoptimaliseerd DNA via chemische synthese. Dat lijkt futuristisch, maar het wordt razendsnel routine. Zo kunnen we volledig nieuwe biochemische reactiewegen in de gistcellen brengen, zodat ze waardevolle biochemische componenten gaan maken, waarbij ze soms zelfs kunnen groeien op afvalstromen.”

“De mogelijkheden zijn legio, van de verduurzaming van productieprocessen voor biobrandstoffen of lekkere vegetarische voeding tot de vervanging van vervuilende petrochemie door witte biotechnologie. Kortom, gisten zullen nog een belangrijke rol spelen in ons streven naar een groenere toekomst."

Ook het fundamenteel onderzoek gaat onverminderd door. Het team werkt onder meer aan nieuwe moleculaire technologieën om de genetic engineering van de gisten verder te verbeteren. 

“Die dubbele missie – fundamenteel en toegepast onderzoek – is al sinds het prille begin van het Centrum onze kracht”, besluit Verstrepen “We maken daar eigenlijk ook geen strikte tweedeling in. Soms krijgen we ideeën door concrete vragen van brouwers die ons vervolgens leiden tot heel fundamenteel genetisch onderzoek, en omgekeerd stelt dat fundamenteel onderzoek ons ook in staat om een brede expertise aan te reiken aan de industrie. Zo hebben we recent op vraag van een brouwerij een gist gekweekt die langer kan blijven leven. Uiteraard willen we nu ook nagaan wat er net veranderd is in het DNA van die gisten, wat dan weer kan leiden tot nieuwe inzichten in de biologie en fysiologie.  Samen met Duvel Moortgat investeert een private geldschieter zelfs in een heus onderzoeksfonds, het “Brewing Science Serves Health Fund”, dat specifiek gericht is op het vormen van een link tussen toegepast bieronderzoek en meer fundamenteel werk rond gezondheid. Op dat pad willen we voortgaan. Onze deuren staan dus open voor iedereen die wil partneren. Met gist als ster van de show, dat spreekt.”

Schrijf je in op de nieuwsbrief om op de hoogte te blijven van het laatste VIB nieuws.