H1: INLEIDING
Deel 1: industriële microbiologie wat en waarom
Wat? = een reeks praktijken waarbij micro-organismen (zoals bacteriën, gist, schimmels en algen) worden gebruikt
om industriële producten en processen te genereren.
• mogelijke MO = bacteriën, gisten, schimmels, archaea, (algen)
- In het algemeen wordt één enkel organisme met specifieke eigenschappen gebruikt, want je wilt 1
product produceren
→ steriliteit is van het grootste belang!!!
→ gemakkelijker te controleren, te begrijpen en te reproduceren
- tegenovergesteld aan spontane fermentaties zoals bij een waterzuivering of voedsel
fermentatieprocessen
Industriële - voorbeelden producten = Fijne chemicaliën, Antibiotica, Vitaminen, Voedingsingrediënten, Smaak-
producten en kleurstoffen, Farmaceutische ingrediënten, Caloriearme zoetstof, Cosmetica, Detergenten,
Enzymen, Biomassa, Bulkchemicaliën, Kunststoffen
- voorbeelden microbiële stoffen = azijn, glucosestroop, melkzuur, xanthaangom, beta-caroteen,
sorbitol, lysozyme, ascorbinezuur, glucose oxidase, …
• type producten uit fermentatieprocessen
1. Biomassa
= ingedeeld in 2 grote processen
- Gist voor bakkerijen en brouwerijen
→ bakkersgist sinds 1900 op grote schaal geproduceerd
→ gist tijdens eerste wereldoorlog als menselijk voedsel geproduceerd
- Menselijk voedsel, diervoeder (eenceleiwit)
→ eenceleiwit (SPC) = dode, droge cellen van MO zoals gisten, bacteriën,
schimmels en algen die op verschillende koolstofbronnen groeien. Het eiwit
wordt gewonnen uit gekweekte algen, gisten of bacteriën en gebruikt als
vervanging van eiwitrijk voedsel, vooral in diervoeder, of als
voedingssupplement.
2. Enzymen
- productie = geproduceerd in bacteriën en plantaardig en dierlijke cellen
- voordeel microbiële enzymen = kunnen in grote hoeveelheden kunnen worden
geproduceerd met behulp van gevestigde fermentatietechnieken + gemakkelijker om de
productiviteit van een microbieel systeem te verbeteren dan die van een plantaardig of
dierlijk systeem.
→ schimmels, bacillus zijn goed in de secretie van enzymen
- recombinant-DNA-technologie = enzymen van dierlijke oorsprong door MO laten
synthetiseren
- MO hebben feedbacksystemen + modificatie controlesystemen = hiermee wordt de
productie van enzymen gecontroleerd en kan deze worden verbeterd door deze controles
te benutten of te wijzigen
→ inductie = inducers in medium opnemen
→ repressiecontrole = verwijderd door mutatie en recombinatietechnieken
- toepassingen = veevoeder, jeans, melk, fruitsap
3. Metabolieten (primair en secundair)
- groei microbiële cultuur
1) lagfase = aanpassingsperiode, een periode zonder groei
2) log- of exponentiële fase = cellen groeien met een constante maximale snelheid
3) stationaire fase = evenveel cellen groeien als sterven af
4) doodsfase = het aantal levensvatbare cellen neemt af
- primaire metabolieten
= geproduceerd in de logfase – trophofase, geassocieerd met groei:
→ Anabolieten = producten die essentieel zijn voor de groei (bijv. aminozuren,
nucleotiden, organische zuren, vitaminen)
→ Catabolieten (bijv. ethanol, melkzuur)
, - Verbetering van de productiviteit van anabole primaire metabolieten
= synthese van anabole metabolieten door wild-type MO is voldoende voor het
organisme zelf, maar we willen dit opschalen voor de industrie door:
→ Selectie van geïnduceerde mutanten
→ Gebruik van recombinant-DNA-technologie
→ Beheersing van de procesomgeving
= Vooruitgang op het gebied van metabolic engineering door genomica, proteomica en
metabolica
→ Genomics: studie van al het genetisch materiaal (DNA) in levende cellen.
→ Proteomics: studie van alle door cellen geproduceerde eiwitten
→ Metabolomics: studie van alle metabolische expressie in cellen
- secundaire metabolieten
= geproduceerd in de stationaire – idiofase
= ze geven een selectief voordeel en zijn niet essentieel voor de cel. Ook niet alle MO
ondergaan secundair metabolisme: : het komt voor bij micro-organismen die
differentiëren, zoals de draadvormige bacteriën en schimmels en de sporende bacteriën
= het zijn producten die worden gesynthetiseerd bij lage groeisnelheden in trage of niet-
groeiende cellen. Wanneer men beseft dat micro-organismen in hun natuurlijke
omgeving met relatief lage groeisnelheden groeien, is het aannemelijk dat in de natuur
eerder de idiofasetoestand heerst dan de trofofase, die wellicht meer een eigenschap is
van micro-organismen in cultuur.
→ vbn = antibiotica, enzymremmers, groeibevorderaars, toxinen, pigmenten,
biopolymeren, biosurfactanten
- rol van secundaire metabolieten
= belangrijk deel van de fermentatie-industrie
→ functies = differentiatie, remming van concurrenten en modulatie van de
gastheerfysiologie.
→ belang = hebben effect op andere organismen dan die welke ze produceren
=> antimicrobiële activiteit, specifieke enzymremmers, groeibevorderaars en
farmacologische eigenschappen
- verband tussen primaire en secundaire producten
= secundaire metabolieten worden meestal vervaardigd uit de tussenproducten van het
primair metabolisme
4. Recombinante producten (eiwitten en nieuwe organische componenten)
- geproduceerd door = MO produceren typische metabolieten van hogere organismen door
het inbrengen van genen
→ vaak gebruikte gastheren = E. coli, S. cerevisiae
→ productie heterologe producten = “afkomstig van een ander organisme”
→ voordelen bij gebruik van MO = dierlijke cellen zijn vele kwetsbaarder, celdichtheid is
hoog en eenvoudig media
- producten = proteïnen en andere organische verbindingen, bv:
→ eiwitten (zoals insuline)
→ plantaardige secundaire metabolieten: artemesinine (= anti-malaria component),
cannabinoïden
→ meervoudig onverzadigde vetzuren
- belangrijke factoren bij ontwerp van deze processen:
→ afscheiding van het product
, → minimalisering van de afbraak v/h product
→ controle over begin v/d synthese tijdens fermentatie
→ maximalisering v/d expressie v/h vreemde gen
- recombinante proteïnen
= interferon (=cytokine), insuline (=hormoon), menselijk serumalbumine, factoren VIII en
IX, epidermale groeifactor, kalfschymosine en boviene somatostatine
5. Biotransformatie processen = wijzigen een verbinding die aan een fermentatie wordt
toegevoegd
- Transformatieproducten = biokatalyse (enzym) of biotransformatie (rustende cellen)
- eigenschappen:
→ Chirale katalysatoren met hoge stereospecificiteit = hierdoor zijn microbiële £
processen specifieker dan chemische processen en maken zij de toevoeging,
verwijdering of wijziging van functionele groepen op specifieke plaatsen op een
complex molecuul mogelijk zonder het gebruik van chemische bescherming.
→ Dehydrogenering, oxidatie, hydroxylering, dehydratie, decarboxylering,
(de)aminering, isomerisatie
→ Reacties bij lage temperatuur en druk (voordeel tov chemische reagentia)
→ Geen metalen katalysatoren
→ Immobiliseren van cellen of enzymen om biomassa vele malen te hergebruiken
- voorbeelden:
→ omzetting van acetonitril in acrylamide door Rhodococcus rhodochrousresterende
cellen: productie bulkchemicaliën
→ Synthese van semi-synthetische penicillines met penicilline- acylase
→ Lipasen voor de productie van chirale alcoholen (OH-functies van complexe
farmaceutische verbindingen)
→ gebruik van MO om het metabolisme van zoogdieren na te bootsen. Mensen en
dieren metaboliseren geneesmiddelen zodat ze het uit lichaam verwijderd worden
(kan gewenst of ongewenst zijn)
=> ontwikkeling geneesmiddel: activiteit van geneesmiddel en metabolieten bepalen
=> metabolieten isoleren uit weefsel, bloed, … => concentratie zeer laag
=> beter = biotransformatie in MO, zodat metabolieten van geneesmiddelen
geproduceerd zijn in kleinschalige fermentatie
Waarom • Groeiende populatie
inzetten op • Stijgende hoeveelheid afval
industriële • Klimaatveranderingen
micro- • Verlies van biodiversiteit
biologie? • We hebben behoeften
• Uitputting van hulpbronnen
• De fossiele brandstoffen raken op of worden duurder
• vervanging van fossiele brandstoffen: energie ≠ massa
→ zon en wind genereren elektrische energie, maar kunnen geen massa of koolstofverbindingen
leveren
→ koolstof is nodig voor het maken van tastbare producten: verf en chemicaliën, kunststoffen,
farmaceutica
• naar een biobased economy = gebruik van niet-fossiele grondstoffen (bv. plantaardige materialen
zoals suikers, vezels, plantaardige oliën, afval, CO2, …)
, Industriële • Biotechnologie = Het gebruik van biologische systemen om een waardevol product te ontwikkelen of
bio- te maken
technologie • Industriële biotechnologie: Het gebruik van biologische systemen (micro-organismen of derivaten
daarvan) voor de ontwikkeling of vervaardiging van industrieel nuttige producten.
• Industriële microbiologie = houdt zich voornamelijk bezig met de commerciële exploitatie van micro-
organismen en omvat processen en producten die wereldwijd van groot economisch, ecologisch en
sociaal belang zijn.
Deel 2: andere nuttige microbiële processen
= MO kunnen in een tal van andere processen worden ingezet en aangewend, maar deze worden niet steeds als industriële
microbiologie sensu stricto aangezien
- gefermenteerd voedsel en drank
- waterzuivering, afvalverwerking, bioremediatie
- controle van plagen in de landbouw
- stikstoffixatie
Industriële microbiologie = streeft ernaar de biogebaseerde tegenhanger te zijn van de traditionele (petro)chemische industrie
→ gericht op industriële processen en “chemische” producten
Voedsel - Nadeel = MO kunnen voedselbederf veroorzaken => behoudmethodes nodig
fermentatie - Voordeel = Microbiële transformaties brengen verschillende producten op:
→ zuivelproducten (bv. kaas, yoghurt, karnemelk)
→ andere levensmiddelen (vb. zuurkool, augurken, zuurdesembrood, bier)
➔ MO bepalen de aarde v/h voedsel door productie van smaakcomponenten en het algemene
karakter van het voedsel
MO en het • Afvalbehandeling
milieu = behandeling afval
• Waterzuivering
= behandeling afvalwater
• Bioremediatie
= opruimen van verontreinigende stoffen
- bacteriën breken organische materiaal in afvalwater af
- bacteriën breken verontreinigende stoffen zoals olie en kwik af of ontgiften ze
MO en de • Sommige MO zijn pathogeen voor insecten => alternatief voor chemische bestrijdingsmiddelen
landbouw = voorkomen van schade aan landbouwgewassen door insecten en overdracht van ziekten
→ vb. Bacillusthuringiensis-infecties zijn dodelijk voor veel insecten maar onschadelijk voor dieren
en planten.
• Veel aspecten van de landbouw zijn
afhankelijk van microbiële activiteiten:
1) Positieve effecten:
- Stikstofbindende bacteriën
- Cellulose-afbrekende microben in de
pens
- Regeneratie van nutriënten in
bodem en water
2) Negatieve effecten: Ziekten bij
planten en dieren
MO en hun - Exploitatie van microben voor de productie van antibiotica, enzymen (b.v. cellulase) en diverse
genetische chemicaliën, b.v. aceton en vitaminen;
hulpbronnen - Genetische manipulatie van microben om voor de mens waardevolle producten te maken, zoals
insuline.
Designer = gemaakt met MO
Jeans - Denimvervaging: Trichoderma cellulase
- Katoenproductie: Gluconacetobacter
- Bleken: paddenstoelenperoxidase
- Indigo: Escherichia coli
- Plastic: bacterieel polyhydroxyalkanoaat
