Diversiteit in koloniegrootte maakt schimmel stressbestendiger en effectiever

Nieuw inzicht heeft mogelijk gevolgen voor de industriële productie van eiwitmengsels

Doordat de schimmel Aspergillus niger in kolonies van verschillende groottes groeit, is deze effectiever in het afbreken van cellulose en beter bestand tegen stress. Dat schrijven Utrechtse microbiologen in een artikel in het vakblad mBio. De schimmel wordt op grote schaal gebruikt voor de productie van eiwitmengsels, die ingezet worden bij het maken van bijvoorbeeld biobrandstoffen of bioplastics. Het inzicht heeft daarom mogelijk gevolgen voor de industrie. De diversiteit in koloniegrootte zou ook een rol kunnen spelen in het leven van de schimmel in de natuur.

Je bent het vast wel eens tegengekomen in je keukenkastje: een rottende ui, zwart van de schimmelsporen. Grote kans dat de ui het slachtoffer was van Aspergillus niger, een van de meest voorkomende schimmels ter wereld. Aspergillus niger leeft meestal van dood organisch materiaal, met name dode planten.

De schimmel scheidt een grote verscheidenheid aan stoffen uit, waaronder zuren en eiwitten, die hem in staat stellen om het materiaal waarop hij leeft af te breken en op te nemen. Omdat de schimmel zo goed is in het maken en uitscheiden van stoffen, wordt hij veel gebruikt voor het industrieel vervaardigen van bijvoorbeeld enzymen, eiwitten die betrokken zijn bij chemische reacties. Zo produceert de schimmel glucoamylase, een enzym dat wordt gebruikt voor de productie van glucosestroop. Deze stroop vind je in allerlei voedingsmiddelen, zoals snoep en bier.

De schimmel groeit op dood organisch materiaal (A) en vormt daar sporen (B). Wanneer deze sporen in een vloeistof belanden (C), klonteren sommige sporen samen en andere niet. Zo ontstaan er grote en kleine kolonies.

Kolonies van verschillende grootte

De schimmel maakt sporen die via de lucht, insecten of waterdruppels op nieuwe voedselbronnen terechtkomen. Wanneer zo’n spore kiemt, groeien er schimmeldraden uit. Op een vaste ondergrond kunnen deze draden uitgroeien tot kolonies van enkele centimeter groot. Maar wanneer de schimmel in een vloeistof wordt gekweekt, blijven de kolonies een stuk kleiner. De kleinsten hiervan bestaan simpelweg uit een kleine kluwen van schimmeldraden. Bij de grotere kolonies is er een onderscheid te zien tussen een centraal gebied en een buitenring.

Prof. dr. Han Wösten

Microbioloog Han Wösten legt uit hoe de kolonies van verschillende grootte ontstaan in een vloeistof. Wösten: “Het viel ons op dat een deel van de sporen in een vloeistof aan elkaar plakt, terwijl een ander deel niet samenklontert. De sporen die aan elkaar plakken, groeien uit tot de grotere kolonies. Wij gingen ons toen afvragen waarom het zo is dat maar een deel van de sporen samenklontert. Is dat toeval of zit er misschien wel een reden achter?”

Samen een hogere activiteit

Om hier meer inzicht in te krijgen, groeiden de onderzoekers de schimmel gecontroleerd uit tot kolonies van verschillende groottes. Dat deden ze door de schimmel voor langere of kortere tijd te laten groeien in een soort capsules. Vervolgens analyseerden de onderzoekers hoeveel en welke enzymen de kolonies van verschillende grootte produceerden. Wösten: “Wonderlijk genoeg scheidden de grote kolonies kleinere hoeveelheden enzymen uit dan de kleintjes, en ook nog minder verschillende enzymen. Maar de groten produceerden dan wel weer bepaalde enzymen die de kleintjes niet uitscheidden.”

Vervolgens combineerden de onderzoekers de enzymen van de grote en kleine kolonies. Ze bekeken hoe goed het mengsel was in het afbreken van cellulose, een stof uit de celwanden van planten. Zo ontdekten ze dat het gecombineerde enzymenmengsel de cellulose sneller afbrak dan de enzymen van alleen kleine of alleen grote kolonies. Ook wanneer de onderzoekers grote en kleine kolonies combineerden in een vloeistof, zagen ze daar dat cellulose sneller werd afgebroken dan in een vloeistof met kolonies van één bepaalde grootte.

Samen zijn de kolonies van verschillende groottes sterker. De kleintjes voeden de groten en de groten vergroten de overlevingskans.

Prof. dr. Han Wösten

Beter bestand tegen hitte

De microbiologen stelden de kolonies van verschillende grootte ook bloot aan hoge temperaturen. Zo kwamen ze erachter dat de grotere kolonies beter bestand zijn tegen hitte dan de kleine. Wösten: “De buitenste ring van de grotere kolonies beschermt het binnenste gedeelte. Samen zijn de kolonies van verschillende groottes dus sterker. De kleintjes voeden de groten en de groten vergroten de overlevingskans.”

Bio-ethanol

In de industrie wordt het volgens Wösten vaak irritant gevonden dat Aspergillus niger in kolonies van verschillende groottes groeit. Maar in sommige gevallen kan de diversiteit aan koloniegrootte juist een voordeel hebben. Wösten: “Als je maar één enzym wilt hebben, dan kun je rustig voor alleen kleine kolonies gaan. Die zijn immers hoogproductief. Maar als je massa wilt afbreken, zoals bij de productie van bio-ethanol, dan is het gunstig om juist die variatie te hebben, omdat de afbraak dan efficiënter is.”

Insectenpoten en aerosolen

Het nog niet zeker of de nieuw ontdekte mechanismen ook een rol spelen in de natuur. Maar volgens Wösten is dat goed mogelijk. Wösten: “We weten dat meerdere sporen tegelijkertijd in een druppel verspreid kunnen worden via aerosolen. Ook weten we dat er via insectenpoten klompen sporen verspreid worden. Die sporen kunnen in een druppel water terechtkomen, waar het hele verhaal kan plaatsvinden. Maar echt aangetoond hebben we dat nog niet. Het is nog niet zo makkelijk om in de natuur zo’n eerste stadium te vinden, een druppeltje water waar toevallig een aantal sporen van Aspergillus niger in zitten.”

Publicatie

Heterogeneity in Spore Aggregation and Germination Results in Different Sized, Cooperative Microcolonies in an Aspergillus niger Culture

Jun Lyu, Martin Tegelaar, Harm Post, Juan Moran Torres, Costanza Torchia, A. F. Maarten Altelaar, Robert-Jan Bleichrodt, Hans de Cock, Luis G. Lugones, Han A. B. Wösten

mBio, 11 januari 2023, DOI: https://doi.org/10.1128/mbio.00870-22