artikel

Hoe bacteriën samenwerken

Algemeen

Producten die ontstaan door fermentatie van een mengsel van micro-organismen kunnen dankzij nieuwe technieken beter worden onderzocht. Geavanceerde computersimulaties, een snelle methode voor het detecteren van vluchtige verbindingen en een techniek om te kijken welke genen ‘aan’ staan, bieden mogelijkheden om stammen te selecteren voor een optimale fermentatie en voor nieuwe productfunctionaliteiten.

Bij het fermentatieproces zetten micro-organismen suikers om in melkzuur en andere organische zuren. Hierdoor wordt de zuurgraad van het product zo laag dat veel andere, bederf veroorzakende, micro-organismen niet meer kunnen groeien en het product langer houdbaar is. Dit was vanouds de belangrijkste reden voor fermentatie van voedingsmiddelen. Door fermentatie veranderen ook de organoleptische eigenschappen, oftewel hoe een product eruit ziet, ruikt en smaakt.

De meeste voedselfermentaties worden uitgevoerd door een – al dan niet gedefinieerd – mengsel van micro-organismen en dat kunnen zowel bacteriën, gisten als schimmels zijn. Vooral melkzuurbacteriën, die snel groeien en melkzuur produceren, spelen een hoofdrol in veel fermentatieprocessen. Voorbeelden van gefermenteerde producten waarbij melkzuurbacteriën een rol spelen zijn zuurkool, kaas, worst en yoghurt.

Yoghurt is gefermenteerde koeienmelk waarbij twee verschillende soorten melkzuurbacteriën, Streptococcus thermophilus en Lactobacillus bulgaricus, verantwoordelijk zijn voor de verzuring. Naast melkzuur produceren de bacteriën acetaldehyde and diacetyl. Deze twee vluchtige verbindingen zijn samen in belangrijke mate verantwoordelijk voor de karakteristieke geur en smaak van yoghurt. Door de verzuring klonteren de melkeiwitten samen.

Hierdoor en door de productie van exopolysacchariden krijgt de yoghurt zijn textuur. Dankzij een lange gezamenlijke historie stimuleren de twee bacteriën elkaars groei. Een belangrijk aspect van de wederzijdse stimulatie is dat L. bulgaricus een enzym maakt dat het melkeiwit caseïne afbreekt. Daardoor komen er aminozuren en peptiden vrij, waarvan S. thermophilus profiteert. S. thermophilus produceert weer andere stoffen, zoals formiaat (mierenzuur) en foliumzuur, die L. bulgaricus niet zelf kan produceren, maar wel nodig heeft voor optimale groei.

Tot de jaren tachtig van de vorige eeuw werd de samenwerking tussen de twee bacteriesoorten alleen met klassieke microbiologische technieken onderzocht. De laatste twee decennia kwam er een aantal nieuwe technieken beschikbaar, die de interacties tot op het niveau van het coderende DNA kunnen ontrafelen.

Waar vroeger vooral naar zuurvorming, textuur en smaak van yoghurt werd gekeken, bieden deze nieuwe technieken de mogelijkheid om extra functionaliteiten aan de producten toe te kennen met behoud van de oorspronkelijke eigenschappen. Voorbeelden van extra functionaliteiten zijn de toevoeging van probiotica en een verhoogde vitamineproductie.

De metabole wegenkaart
Metabole modellen zijn computersimulaties met alle – al dan niet door enzymen verrichte – chemische reacties in cellen. De DNA-sequenties van de gemodelleerde micro-organismen dienen als basis voor de modellen. Deze metabole modellen zijn het beste te vergelijken met een navigatiesysteem voor de stofwisseling van bacteriën [3].

We hebben recentelijk een model ontwikkeld waarin beide yoghurtbacteriën zijn opgenomen [2]. Op basis van de reacties die, hoewel essentieel voor een optimale groei, afwezig bleken in de ene soort maar aanwezig in de andere soort, was het mogelijk potentiële interacties te definiëren. Een dergelijk model kan niet alleen gebruikt worden voor het beschrijven van een mengcultuur, maar ook om te voorspellen hoe het systeem zich zal gedragen onder verschillende fermentatieomstandigheden. Dit zou met twee aparte stofwisselingsmodellen van de bacteriën niet kunnen.

De chemische streepjescode van yoghurt
De analyse van smaak door gespecialiseerde smaakpanels en de concentraties van geselecteerde sleutelverbindingen geeft een basisbeeld van de smaakkarakteristieken van een product. In aanvulling hierop kan met behulp van geavanceerde technieken, zoals gaschromatografie-massaspectometrie (GC-MS) een profiel gemaakt worden van de belangrijkste vluchtige verbindingen in een voedingsproduct.

Een dergelijk profiel zou je kunnen vergelijken met een soort streepjescode: de aanwezigheid van een verbinding geeft een zwart streepje (een piek) in het massaspectrum (alle verbindingen hebben een verschillende massa), waarbij de hoogte van het streepje een maat is voor de concentratie. Wanneer in een grafiek de hoeveelheid van één verbinding op de x-as wordt gezet en van een andere op de y-as, krijg je een figuur als in Figuur 4.

Deze figuur laat zien dat het mogelijk is op basis van de hoeveelheden diacetyl en ethanol verschillende bacteriestammen en combinaties van stammen van elkaar te onderscheiden. Met deze methode kunnen bijvoorbeeld grote hoeveelheden mengcultuurfermentaties met toegevoegde probiotica worden gescreend. Door het bepalen van de chemische streepjescode met GC-MS wordt snel duidelijk of een stam participeert in de fermentatie.

Figuur 4. Op basis van de twee vluchtige verbindingen diacetyl en ethanol in de ‘headspace’ (lucht boven het fermentatiemedium) van verschillende yoghurtculturen is te zien wat de invloed is van verschillende stamcombinaties op de smaakcomponenten diacetyl en ethanol. Iedere kleur stelt een verschillende fermentatie voor waarbij één of meerdere stammen betrokken waren.

Simultane gen-expressieanalyse
Een andere recente ontwikkeling is het gebruik van DNA-microarrays, een soort microchips waarmee je kunt vaststellen welke genen ‘aan staan’ in cellen: gen-expressie. Deze techniek wordt in de biotechnologie veelal toegepast om te kijken wat de reactie is van micro-organismen op specifieke kweekcondities.

Deze informatie kan gebruikt worden om fermentatiecondities zo optimaal mogelijk te maken. De DNA-microarraymethode is nu voor het eerst gebruikt om te onderzoeken hoe beide yoghurtbacteriën op elkaar reageren. Met de DNA-microarrays kunnen beide bacteriesoorten gelijktijdig worden geanalyseerd (Figuur 5). Er is gekeken naar gen-expressieprofielen zowel wanneer de twee bacteriën samen groeien als wanneer deze apart worden gekweekt. Het verschil hiertussen geeft informatie over welke genen een rol spelen in de samenwerking tussen de twee soorten.

Hiermee konden veel van de al bekende interacties (in Figuur 2) worden bevestigd. Daarnaast is er nog een aantal nieuwe interessante mechanismen aan het licht gekomen. Bijvoorbeeld, de genen voor exopolysaccharideproductie, belangrijk voor de structuur, bleken aangezet te worden wanneer de bacteriën samen werden gekweekt [2].

Figuur 5. Met de ‘gemengde’ DNA-microarray kunnen we zien welke genen van beide yoghurtbacteriën aan staan wanneer deze bacteriën bijvoorbeeld samen groeien in melk. In het voorbeeld is Streptococcus thermophilus van een rood label (cyanine 3) voorzien en Lactobacillus bulgaricus van een groen label (cyanine 5).

Meer verschillende producten
Met de drie genoemde methoden is het mogelijk om, in combinatie met de oudere methoden, een beter overzicht te krijgen van de metabole routes in de yoghurtbacteriën en de productvorming door deze bacteriën in mengculturen. De rationele selectie van stammen en de optimalisatie van fermentatiecondities zijn eenvoudiger en sneller geworden.

Dit geldt overigens niet alleen voor yoghurt, maar ook voor andere (mengcultuur) fermentaties, zoals in wijn, worst of zuurkool. Hierdoor is een grotere productdiversificatie mogelijk, bijvoorbeeld door de hoeveelheid geproduceerde vitamine te verhogen of door een speciale smaak te laten ontstaan. Verder kan gedetailleerd in kaart worden gebracht welk effect de toevoeging van nieuwe stammen heeft op klassieke producteigenschappen zoals een goede verzuring, textuur en aromavorming. Dit kan ook van belang zijn voor het ontwikkelen van bijvoorbeeld producten met probiotische stammen.

Reageer op dit artikel