Het onderzoeksconsortium van het FWO-SBO project ProFibFun toonde voor het eerst aan dat veelgebruikte eiwitten in de voedingsindustrie, namelijk ovalbumine uit kippenei-eiwit en gluten uit tarwe, fibrillaire proteïne-aggregaten vormen tijdens typische processtappen zoals koken, mixen en drogen.
Amyloïde fibrillaire proteïne-aggregatie komt veelvuldig voor in de natuur. Dit proces wordt vaak geassocieerd met een aantal verouderingsziektes bij de mens waardoor er veel medisch onderzoek naar verricht wordt. Dezelfde structuren vormen echter ook de basis voor spinnenzijde, een merkwaardig materiaal dat zeer fijn gesponnen wordt en toch een zeer grote sterkte combineert met elasticiteit. Deze laatste toepassing van amyloïde fibrillaire structuren wekt de vraag of de functionele eigenschappen ook een rol van betekenis kunnen spelen in de voeding. Het unieke projectconsortium van ProFibFun bestudeert het voorkomen en de eigenschappen van deze proteïne-structuren in onze voeding.
Om amyloïde fibrillen te vormen, moeten eiwitten zich gaan stapelen met cross-β sheets als ruggengraat van de fibril. Eiwitten zijn onder normale omstandigheden gevouwen in een 3D-conformatie, bijvoorbeeld een globule. In die toestand zijn de regio’s, aminozuursequenties die de ruggengraat gaan vormen, begraven binnenin de gevouwen globule. Daarom moet de globule ontvouwen worden zodat de begraven regio’s toegankelijk worden. Dit kan bijvoorbeeld onder invloed van bepaalde (proces)condities, een lage pH of een verhoogde temperatuur. Er wordt gesuggereerd dat het fibrilvormingsproces een nucleatie-afhankelijk mechanisme volgt (een beetje zoals een rollende sneeuwbal die steeds maar groter wordt). Amyloïde fibrillen zijn fibrillaire eiwitstructuren, van enkele nanometers tot micrometers groot, die zijn samengesteld uit een zeer geordende stapeling van cross-β sheets. Uit voorgaand onderzoek weet men dat zulke amyloïde fibrillen bijzondere chemische en mechanische eigenschappen bezitten, denk maar aan het spinnenzijde.
Naast het aantonen van de aanwezigheid van deze proteïnestructuren in typische voedingsingrediënten en -producten, wil het ProFibFun projectconsortium kennis genereren om de functionele eigenschappen (gelvormend, schuimvormend en emulgerend) van amyloïde fibrillen in de verwerking van voeding zo optimaal mogelijk te benutten. Dit moet de voedingsindustrie in de toekomst toelaten om (i) dierlijke, eiwitgebaseerde ingrediënten (met zijn superieure functionele eigenschappen) optimaal te gebruiken en (ii) de functionele eigenschappen van plantaardige eiwitten te verbeteren.
De afgelopen twee jaren zijn de onderzoekers er in geslaagd om in voedselmatrices, zoals hardgekookt kippenei-eiwit, de specifieke aggregaten te detecteren en vervolgens te isoleren via een eigen ontwikkelde enzymatische extractiemethode. Het nieuwe extractieprotocol zal mits verdere optimalisatie toelaten in de toekomst andere voedingsingrediënten en -producten te screenen op aanwezigheid van amyloïde fibrillaire eiwitaggregaten.
Figuur: Links amyloïdvormige fibrillen in gekookte (voor 15 min) kippenei-eiwit; Rechts amyloïdvormige fibrillen in een gekookte (voor 15 min) tarwegluten dispersie
De onderzoekers toonden verder aan dat heel klassieke verwerkingsstappen, zoals drogen (sproeidrogen en vriesdrogen), koken en intensief mixen tijdens de vorming van een olie-in-wateremulsie, onder specifieke procescondities de aggregatie tot fibrillaire structuren induceerden, meer bepaald voor het abundante ovalbumine uit kippenei-eiwit. Het projectconsortium zal nu verder onderzoeken welke rol en effect deze eiwitstructuren hebben in de techno-functionele eigenschappen (gelvormend, schuimvormend en emulgerend) van eiwitten, maar ook hoe ze de vorming van de fibrillaire eiwitstructuren kunnen sturen aan de hand van specifieke verwerkingsstappen.
Het projectconsortium toonde alvast aan dat gekookt kippenei-eiwit tot 3% amyloïde fibrillen kan bevatten. Deze bevindingen werden afgelopen jaar gepubliceerd in het toonaangevende tijdschrift Biomacromolecules.
Ook in commerciële glutenproteïnen werden fibrillen gevonden. Reeds in onverhitte stalen zijn fibrillen aanwezig, vermoedelijk door de industriële bewerkingen (droogstappen) tijdens het opzuiveringsproces. Na 15 min koken zijn 0,1% tot 0,5% van de glutenproteïnen betrokken in amyloïdvormige fibrillen. Ook vanuit enzymatische geknipte glutenproteïnen konden fibrillen gevormd worden. Bovendien gaven de resultaten aan dat zowel gliadinen als gluteninen (de twee grote fracties van glutenproteïnen) bijdragen tot de fibrilvorming van tarweglutenpeptiden.
Dit alles doet vermoeden dat wij in ons dagelijks dieet eiwitten onder de vorm van fibrillaire eiwitaggregaten consumeren, zonder impact op onze gezondheid. Dit is voor het projectconsortium echter een te voorbarige conclusie. Daarom worden de proteolytische resistentie in ons darmkanaal en de toxiciteit van deze structuren voor de mens verder onderzocht. Dit is essentieel wanneer we in de toekomst de vorming van amyloïde fibrillen willen gaan stimuleren voor hun techno-functionele eigenschappen. Stel dat de onderzoekers een manier vinden om deze vorming specifiek te verhogen waardoor er meer functionele ingrediënten op de markt komen… Dan moeten we kunnen bevestigen dat de consumptie van amyloïde fibrillen niet toxisch is voor de mens.
PROFIBFUN bouwt aan een kennisplatform dat moet toelaten om op een rationele wijze fibrillaire proteïneaggregaten te ontwerpen met techno-functionele eigenschappen die de kwaliteit en/of de verwerking van levensmiddelensystemen verbeteren, en tegelijkertijd een neutrale of positieve impact hebben op de gezondheid.
Dit project brengt een multidisciplinair onderzoeksconsortium bij elkaar met complementaire expertises uit de KU Leuven en de UGent, onder leiding van Prof. Jan Delcour (projectcoördinator), dr. Sebastien Carpentier, Prof. Paula Moldenaers, Prof. Frederic Rousseau, Prof. Joost Schymkowitz, Prof. John Van Camp, en Prof. Paul Van der Meeren. Vier doctoraatstudenten (Joëlle Housmans, Arne Huyst, Trui Luyckx en Margarita Monge Morera) zijn werkzaam binnen het project, die worden bijgestaan door postdoctoraal onderzoeker Lomme Deleu.
