De productie van vlees is enorm milieubelastend. Toch is dierlijk eiwit het gemakkelijkste te verteren en is eiwit essentieel voor de mens. Een startup heeft een oplossing gevonden, die haast te mooi klinkt om waar te zijn.
De startup Air Protein maakt gebruik van een oude NASA-techniek uit de jaren zestig. Deze maakt gebruik van hydrogenotrofe (waterstof etende) bacteriën die leven op moleculaire waterstof, H2. Waterstof komt op aarde vooral voor als onderdeel van water, H2O, maar er zijn plaatsen op aarde waar puur waterstofgas voorkomt. Deze bacteriën zijn in staat om dit waterstofgas te benutten als energiebron en met behulp van kooldioxide en voedingszouten om te zetten in organische stoffen, zoals eiwitten. In onderstaande TED lezing wordt deze techniek uitgelegd.
A forgotten Space Age technology could change how we grow food | Lisa Dyson
De productie van waterstof uit water kost vanzelfsprekend energie. Gratis is de techniek dus niet. Groot voordeel is wél, dat er geen grond nodig is voor vee en vooral, dat het aminozuurprofiel van ‘air protein’ vrijwel geheel overeenkomt met die van dierlijke eiwitten. Dit maakt het een volwaardige vleesvervanger, al heeft het roodbruine poeder maar weinig weg van vlees. Als astronautenvoedsel en om ondervoede kinderen en volwassenen in de derde wereld te helpen, is het ideaal.
Air Protein maakt gebruik van een NASA-ontdekking om eiwit te produceren voor astronauten. Kan dit de honger in de wereld oplossen? Bron/copyright: Air Protein
Het ontwikkelen van vleesvervangers lijkt misschien triviaal, maar is dat zeker niet. De productie van elke kilo vlees kost tussen de drie tot tien kilo veevoer. Dit maakt vlees een grote belasting voor het milieu. Als we minder vlees eten, is er minder landbouwgrond nodig en is er meer ruimte voor bijvoorbeeld natuurgebieden en recreatie. Ook hoeven we ons niet meer te ergeren aan de beperkingen die stikstofoverlast op ons oplegt.
In een opmerkelijke ontdekking slaagde een groep onderzoekers er in om de lichtkleur die chlorofyl absorbeert, uit te breiden tot golflengtes die nog buiten bereik lagen. Zelfs nabij-infrarood licht kan nu door fotosynthese gebruikt worden. Kan hiermee de effectiviteit van fotosynthese, en dus de landbouwproductie, verdubbeld worden?
Het zonnespectrum. Planten gebruiken hier ongeveer de helft van. Bron: Wikimedia Commons
Meer dan de helft van het zonlicht voor planten nutteloos Alle leven op aarde, enkele spaarzame wormen rond hete diepzeebronnen en rotsbacteriën uitgezonderd, hangt af van fotosynthese, het proces in planten dat zonlicht, water en kooldioxide omzet in glucose (het beginpunt van alle organische stoffen) en zuurstof. De aarde is bedekt met een groene deken plantengroei, de zee met algen en cyanobacteriën. De fotosynthese zoals deze in planten plaatsvindt, benut het grootste deel van het licht echter niet. Plantenbladeren zijn niet zwart, maar groen. Dat komt, omdat chlorofyl groen licht niet absorbeert. In feite treft dit lot meer dan de helft van alle straling in het zichtbare-licht deel van het spectrum (dat loopt van 400 nm, violet, tot 700 nanometer, rood). Doorzichtige zonnecellen die alleen groen licht absorberen, zouden in feite de plantengroei vrijwel niet hinderen. Planten proberen met behulp van carotenoïden, u weet wel, waar ons lichaam vitamine A van maakt, toch nog wat lichtenergie in dit gebied te vangen, maar ook dit lapmiddel werkt niet echt bevredigend.
Het nieuw ontwikkelde chlorofylmolecuul sluit het gat tussen ‘normaal’ chlorofyl en bacteriochlorines, die rond 800 nm maximaal absorberen. Bron: 1.
Moleculaire springveer Willen we dit verbeteren, dan moeten we aan het chlorofylmolecuul zelf knutselen. Licht is een trilling en chlorofyl komt in resonantie bij bepaalde golflengten. Bij chlorofyl a bijvoorbeeld rond 680 nanometer en chlorofyl b rond de 480 nm: niet toevallig de golflengte van geel licht en de golflengte waarop de stralingspiek van de zon ligt. Het verschil tussen chlorofyl a en chlorofyl b zijn de atoomgroepjes die aan deze moleculen hangen. Hoe logger deze zijn, hoe lager de de resonantiefrequentie van het chlorofylmolecuul en daarmee: hoe langer de golflengte van licht dat wordt geabsorbeerd.
De onderzoekers bereikten zelfs een ongelofelijke 900 nanometer warmtestralingsabsorptie. Bron: 2.
Dit is precies wat de onderzoeksgroep heeft gedaan. Door middel van uitgekiende toevoegingen van atoomgroepen aan het chlorofylmolecuul, slaagden ze erin de kloof te dichten tussen diverse groepen bacteriochlorines en ook het golflengtebereik ver uit te breiden, tot zelfs in het infrarood. Je leest het goed: door deze ontdekking kan zelfs kortgolvige warmtestraling voor fotosynthese worden gebruikt. Dit is straling die veel door een rode dwergster wordt afgegeven. Wanneer we interstellaire ruimtevaart ontwikkeld hebben en we op bezoek kunnen bij de nabije rode dwergsterren, bijvoorbeeld deze dwergster met planeten, dan hebben we voor de kolonisten nu in ieder geval alvast een bruikbaar chlorofylpigment voor hun gewassen ontwikkeld. Omdat het hier om bacterieel chlorofyl gaat, is toepassing in planten niet vanzelfsprekend, maar ook hier geldt dat het de gewasopbrengst sterk zou kunnen vergroten, zeker door de benutting van nabij-infrarood straling.
Bronnen
Kaitlyn M. Faries et al., Photophysical Properties and Electronic Structure of Chlorin-Imides: Bridging the Gap between Chlorins and Bacteriochlorins. The Journal of Physical Chemistry B, 2015; 150114100627003 DOI: 10.1021/jp511257w
Pothiappan Vairaprakash et al., Extending the Short and Long Wavelength Limits of Bacteriochlorin Near-Infrared Absorption via Dioxo- and Bisimide-Functionalization. The Journal of Physical Chemistry B, 2015; 119 (12): 4382 DOI: 10.1021/jp512818g
Tot nu toe werd gedacht dat een microfilter met gaatjes van 200 nanometer (een vijfduizendste millimeter of rond de duizend middelgrote atomen breed) wel voldoende is om bacteriën tegen te houden. Microbiologen weten nu beter: de kleinste bacteriën ooit, nog niet benoemd, hebben door hun kleine afmetingen geen moeite met zelfs dit filter.
De ultramicrobacteriën doken op door een grondwatermonster te filtreren. Alleen de allerkleinste bacteriën passeerden het filter. Deze vrijlevende bacteriën zijn zo klein, dat er 150 van in een cel van de bekende en beruchte bacterie E. coli passen. Om te overleven, moeten de bacteriën woekeren met hun kleine celruimte. Ze bevatten maar enkele ribosomen, die m-RNA ‘afschriften’ van DNA in eiwitten vertalen, in plaats van de 1500 in een gemiddelde E. coli-cel. Ook het DNA is compact verpakt en kort, rond de 1 miljoen baseparen.
Een opname van de bacteriën. Bron: Berkeley Labs.
Onderzoekers vermoeden dat de bacteriën een deel van hun levensprocessen hebben “uitbesteed” aan grotere bacteriën in de buurt, zodat ze daarom hun cel hebben kunnen vereenvoudigen. De bacteriën beschikken over draadachtige structuren, die, vermoeden de onderzoekers, worden gebruikt om essentiële voedingsstoffen van elders te halen. Hoewel de ontdekking van de bacteriën nieuw is, blijken ze, nu er eenmaal gericht naar wordt gezocht, heel veel voor te komen. De bacteriën behoren tot zowel de grampositieve als de gramnegatieve groep en zijn, wijst metagenetische analyse uit, zeer divers in soortenrijkdom. Vermoedelijk zijn er daarom zeer veel soorten in deze allerkleinste grootteklasse bacteriën. De bacteriën zijn niet met standaardmethoden te kweken in een lab, vermoedelijk door de complexe symbiose met andere bacteriën.
Er waren al eerder zeer kleine bacteriën bekend, zoals de ziekteverwekker Mycoplasma genitalium. Deze kan alleen in leven blijven binnen levende cellen. Naar nu blijkt zijn deze dus geen uitzondering.
Antibiotica zijn geneesmiddelen die de groei van bacteriën remmen of bacteriën doden. Antibiotica zijn van groot belang voor een goede behandeling van bacteriële infecties. Door het veelvuldig en onzorgvuldig gebruik van antibiotica, zijn er steeds meer bacteriën hier resistent voor geworden. Deze bacteriën zijn ongevoelig geworden voor de werkzame stoffen van dit soort geneesmiddelen. Het is een potentieel groot gevaar als niet tijdig de juiste maatregelen worden gevonden om deze trend te keren.
ZEMBLA
Op donderdag 10 januari 2013 zond het programma ZEMBLA een documentaire uit over de toenemende antibiotica-resistentie. Het was het derde deel uit de reeks ‘Antibiotica Alarm’. In 2010 en 2011 heeft het programma ook aandacht besteed aan dit thema. De betreffende uitzending van 10 januari is hier te vinden. Er geldt een beperkte beschikbaarheid tot en met zaterdag 9 februari 2013.
Superbacterie
De bacterie Staphylococcus aureus wordt snel resistent tegen de bekende antibiotica.
Door deze toenemende resistentie ontstaan ook zogenaamde ‘superbacteriën’. Dit zijn bacteriën die bestand zijn tegen de sterkste antibiotica. Het bekendste voorbeeld is de ‘New Delhi superbacterie’ die ook in de uitzending wordt genoemd. Ontstaan in India door de slechte hygiënische omstandigheden en het overvloedig verkeerd gebruik van antibiotica, bevat het een gen wat het NDM-1-enzym produceert die de resistentie veroorzaakt. Het grote gevaar is dat deze gen ook kan worden overgedragen op andere bacteriën die normaal gesproken wel op antibiotica reageren. Echter als ze deze gen gaan dragen zijn ze niet meer meer te genezen met reguliere antibiotica.
Door het vele reizen en de vele wereldwijde contacten, is het mogelijk dat resistente bacteriën zich over de hele wereld verspreiden en andere bacteriën gaan besmetten. Hierdoor veranderen deze anders normale bacteriën in superbacteriën. Daarom is het van groot belang om verdere verspreiding zoveel mogelijk te beperken, voorzichtig te zijn met het gebruik van de huidige antibiotica en op zoek te gaan nieuwe oplossingen om dit probleem aan te pakken. In een eerder artikel op deze site is al gepleit voor een verbod op het gebruik van antibiotica in de veeteelt en spaarzaam gebruik bij mensen.
Toerisme
Toerisme en ook het medisch toerisme vormen een groot risico voor verdere verspreiding. Medisch toerisme betekent dat je in een land als India je laat opereren, omdat het goedkoper is en/of er meer mogelijkheden zijn dan in het land van herkomst. Hierbij valt te denken aan cosmetische chirurgie of orgaantransplantaties. Tijdens een operatie in een land als India loop je een verhoogd risico op een infectie met een resistente bacterie. Ook als gewone toerist is het mogelijk om via drinkwater of voedsel een drager te worden van deze bacterie. Besmetting vindt plaats op het moment dat de bacterie zich in de rest van het lichaam zich weet te verspreiden. Dit is bijvoorbeeld mogelijk als de bacterie in de bloedbaan van het lichaam van de drager terecht komt.
Door het grote besmettingsgevaar van de superbacterie is het van groot belang om ziekenhuizen zo hygiënisch mogelijk te werken om verdere verspreiding te voorkomen. Patiënten die met een resistente bacterie geïnfecteerd zijn, kunnen in quarantaine worden gezet om met steeds zwaardere antibiotica behandeld te worden. De uitzending van ZEMBLA laat zien dat er al superbacteriën zijn met resistentie voor alle bekende antibiotica. De bekende antibiotica waarvan het bekend is dat ze nog werken in bepaalde landen zoals Australië, worden daarom daar ook zo spaarzaam mogelijk ingezet om te voorkomen dat de daar aanwezige superbacteriën alsnog resistent worden.
Op het moment dat het niet meer mogelijk is om met antibiotica een infectie te stoppen, en een patiënt is in levensgevaar, dan is er uiteindelijk maar 1 oplossing mogelijk: amputatie. Hierbij wordt dan het gedeelte van het lichaam verwijderd wat geïnfecteerd is met de superbacterie om verdere verspreiding te voorkomen. Dit is de methode van behandeling die gebruikelijk was voor de doorbraak van de antibiotica in de moderne geneeskunde.
Nieuwe antibiotica en goede hygiëne
Ook maakt deze aflevering van ZEMBLA duidelijk waarom het ontwikkelen van nieuwe antibiotica voor de farmaceutische industrie niet zo interessant is: het levert te weinig geld op. De patenten van de bestaande antibiotica zijn bijna allemaal verlopen en het ontwikkelen van nieuwe antibiotica kost erg veel geld. Verder werken antibiotica ook erg goed. Je bent regelmatig snel genezen en hoeft daardoor maar relatief kort gebruik te maken van deze medicijnen.
Tot het moment dat er echt een volwaardige oplossing is, zal het beperkt gebruik van antibiotica en vooral ook een goede hygiëne in bijvoorbeeld ziekenhuizen van groot belang zijn om verdere verspreiding te voorkomen. Het gevaar hierbij is dat door de economische crisis er minder geld beschikbaar is voor preventieve maatregelen. Volgens de ZEMBLA-aflevering is dit te zien in landen als Spanje en Griekenland waar de verspreiding aan het toenemen is.
Listeria-bacteriën veroorzaken ongeveer driehonderd doden per jaar door voedselvergiftiging. Onderzoekers zijn er nu achter hoe Listeria-bacteriën menselijke cellen kunnen uitschakelen: door mee te liften met het eiwit calpaïne. Een calpaïneblokker zou dus Listeria-infecties kunnen stoppen – zonder antibiotica.
Door het transportmechanisme in de cel voor Listeria lam te leggen, stopt de infectie.
Listeria: een geniepige moordenaar
Bacteriesoorten van het geslacht Listeria delen alle een gecompliceerde, doortrapte techniek om menselijke cellen binnen te dringen en te parasiteren. De bacteriën verschuilen zich in menselijke cellen en buiten het transportmechanisme uit om zich naar andere cellen te verplaatsen, zonder dat het afweersysteem de kans heeft ze uit te schakelen (details hier). Zelfs met antibiotica-behandeling sterft daarom één op de vijf patiënten met een Listeria-infectie. Listeria-infecties komen niet vaak voor, ongeveer zeven op de miljoen mensen per jaar, maar epidemiologen verwachten een toename in de toekomst, omdat aidspatiënten en anderen met zwakke weerstand steeds ouder worden.
Calpaïneblokker
Essentieel in de transportfase in de levenscyclus van Listeria is het eiwit calpaïne. Listeria-cellen gebruiken dit eiwit om zich aan te hechten, waarna ze via het interne transportnetwerk van de cel worden vervoerd naar andere compartimenten van de cel, ontdekten onderzoekers van de Britse universiteit van Manchester. Zonder calpaïne strandt de bacterie in de cel en stopt de verspreiding. De onderzoekers denken dat door medicijnen te ontwikkelen die de productie van calpaïne remmen, de infectie gestopt kan worden zonder de (steeds minder werkzame) antibiotica te gebruiken.
Indirecte aanval
Weliswaar is Listeria niet echt een wereldbedreigende epidemie – malaria, bijvoorbeeld, veroorzaakt duizend maal zoveel doden per jaar – maar toch is deze ontdekking zeer interessant. De filosofie die gevolgd is bij deze ontdekking is namelijk uniek. Bij deze nieuwe klasse medicijnen wordt gekeken naar het manipuleren van het lichaam van de gastheer, in plaats van de bacterie zelf aan te vallen (wat bij Listeria, verscholen als deze is in de cel, weinig zin heeft). Deze nieuwe strategie is namelijk voor heel veel bacteriesoorten toe te passen. Zo manipuleert ook E. coli en de cholerabacterie Vibrio cholerae menselijke lichaamscellen. Ook zijn er mogelijk andere ziekteverwekkers die gebruik maken van calpaïne.
Drie voordelen
Deze nieuwe strategie heeft drie voordelen. Ten eerste wordt er geen slachting aangericht onder de doorgaans goedaardige lichaamsflora, die het lichaam indirect beschermt door geen ruimte open te laten voor gevaarlijke nieuwkomers. Ten tweede wordt zo ook resistentie onder grote groepen bacteriën voorkomen. Alleen de Listeria’s zullen – misschien – resistent worden, maar omdat er geen rechtstreekse aanval op de bacterie is, is dit veel moeilijker. De bacterie zal dan een andere methode moeten ontwikkelen om in de menselijke cel te navigeren (of leren te groeien zonder getransporteerd te worden). Dit is evolutionair gesproken veel lastiger dan bijvoorbeeld een ander type celwand te ontwikkelen dat resistent is tegen antibiotica.
Ook kunnen, vanwege hun unieke infectiemethode, alleen de Listeria’s zelf deze resistentie ontwikkelen. Ze kunnen geen plasmiden (DNA-ringen) lenen van andere, goedaardige, soorten, die hebben daar evolutionair gezien immers niets aan. Ook dit vermindert de kans op resistentie. Kortom: een veelbelovende strategie.
Stel je voor: een draagbare, door batterijen gevoede plasmagenerator die de huid in een fractie van een seconde bacterievrij kan maken, dit zonder zeep en water. Het apparaat zou gebruikt kunnen worden bij noodoproepen voor de ambulance, plekken waar natuurrampen plaats hebben gevonden, gevechtssituaties of waar ook medische noodhulp op verre lokaties nodig is. Maak kennis met de “plasma flashlightâ€, de plasma-zaklamp.
De plasmazaklamp in actie. Bron: auteurs publicatie
In een experiment bleek de plasmazaklamp in staat om een dikke biofim bestaande uit zeventien verschillende lagen van één van de meest antibiotica- en warmteresistente bacteriën, Enterococcus dfaecalis, uit te schakelen. Deze bacterie veroorzaakt vaak wortelkanaalinfecties tijdens tandartsbehandelingen. Het plasma drong diep door tot onderin de biofilm en doodde de bacteriën in vijf minuten. Voor individuele bacteriën duurde de inactiveringstijd slechts enkele tientallen seconden
Werking
Het exacte mechanisme waardoor bacteriën het afleggen tegen plasmaontladingen is nog onbekend, maar vermoedelijk wordt het antibacteriële effect van plasma veroorzaakt door chemische reacties tussen het plasma en de lucht die het omringt. Hierbij komt een mengsel van bepaalde stoffen, waaronder vrije radicalen vrij, die veel weg hebben van degene die door ons eigen immuunsysteem worden geproduceerd.
Plasma jet circuit, aangedreven door een 12 V gelijkspanning battery op 60 mW. Het circuit genereert ~20 kHz pulsen met elk een duur van ~100 ns. (Credit: X. Pei et al./IOP Publishing)
Zoals bovenstaande schakeling laat zien, kan het apparaat zonder veel moeite worden gemaakt en kost het minder dan honderd dollar (onder de € 80) om te produceren. Behalve de batterijen is geen andre krachtbron noodzakelijk. Het apparaat werkt bij temperaturen rond kamertemperatuur en brengt geen schade aan de huid toe.
De onderzoekers voerden ook een gedetailleerde analyse uit op het gasmengsel dat bij de plasmaontlading vrijkwam en ontdekten dat hoog-reactieve stikstof-zuurstofverbindingen in grote hoeveelheden waren ontstaan. Eerder werd verondersteld dat vrijkomende UV-straling de effectiviteit van plasmaontladingen verklaart. Bij dit ontwerp komt nauwelijks UV-straling vrij, terwijl de effectiviteit toch hoog bleef, wat het onaannemelijk maakt dat UV-straling het steriliserende effect verklaart.
Het apparaat is ontwikkeld door onderzoekers van Huazhong University of Science and Technology in China, CSIRO Materials Science and Engineering, University of Sydney en City University of Hong Kong.
Allergie komt anno 2012 veel vaker voor dan in de tijd van onze opa’s en oma’s. In een artikel in het vooraanstaande vakblad Nature Medicine beschrijven de ontdekkers de reden: een onverwacht gevolg van antibioticamisbruik op het gedrag van de darmflora.
Puzzelstukjes al aanwezig
Al voor dit onderzoek was bekend dat één van de oorzaken in onze ingewanden ligt. Epidemiologische studies hebben veranderingen in de samenstelling van de darmflora gelinkt aan de ontwikkeling van allergische ziekten. Doorgaans bewonen tussen de 1000 en 15 000 verschillende bacteriesoorten onze dikke darm. Ook is bekend bij immunologen dat signaalmoleculen, geproduceerd door bepaalde immuuncellen, allergische ontstekingen opwekken. Uit dierproeven is bekend dat er een link bestaat tussen deze twee: commensale bacteriën wekken heftiger allergische reacties op. Deze onderzoekers wilden het werkingsmechanisme van dit effect ontdekken.
Ingewandsbacteriën onderdrukken ons immuunsysteem. De verklaring waarom antibiotica allergie veroorzaken. Bron: Missouri University
Antibiotica vernietigen natuurlijke symbionten Om dit uit te zoeken, behandelden onderzoeker Artis en zijn collega’s van de Pennsylvania School of Veterinary Medicine muizen met een vijftal verschillende orale antibiotica om hun darmflora te verminderen of uit te putten. De antibiotica varieerden van het veel voorgeschreven ampicilline (met weinig bijwerkingen) tot het laatste redmiddel vancomycine, dat een aantal uiterst gevaarlijke bijwerkingen heeft. Overigens, ongelofelijk genoeg, ontstaat er nu zelfs tegen het giftige vancomycine resistentie, wat het nodige zegt over de gewetenloze stupiditeit en incompetentie van bepaalde artsen.
Antibiotica leidt tot meer allergie-veroorzakende antilichamen
Ze ontdekten dat muizen die met antibiotica werden behandeld, een verhoogde hoeveelheid IgE klasse antilichamen in hun bloed hebben. Dit zijn antilichamen die allergie en astma veroorzaken. Dit hoge IgE gehalte op zijn beurt verhoogt namelijk het aantal basofiele granulocyten, witte-bloedcellen die de ontstekingsstof histamine uitscheiden. Dit gebeurt ook bij de ontstekingen bij allergische reacties.
Dit effect treedt overigens niet alleen bij muizen op maar ook bij mensen. Iemand die door genetische aanleg grote hoeveelheden IgE antilichamen aanmaakt, is doorgaans hypergevoelig voor eczeem en infecties. Astma wordt daarom behandeld met antilichamen die IgE neutraliseren, zodat de basofiele granulocyten geen ontstekingen meer veroorzaken.
Bacterie trapt op de rem
Naar nu blijkt, scheiden bepaalde soorten maag-darmbacteriën die met de mens gecoëvolueerd zijn, stoffen af die de groei van zogeheten immuun-precursorcellen (B-cellen) in het beenmerg afremmen. De reden hiervoor is duidelijk: een op hol geslagen immuunsysteem dat veel antistoffen aanmaakt is slecht nieuws voor deze bacteriën. Als antibiotica deze bacteriën vernietigen, verdwijnt deze rem en worden er grote hoeveelheden immuun-precursorcellen aangemaakt. Deze gaan vervolgens veranderen in B-plasmacellen die veel IgE afscheiden, met de bekende gevolgen.
Ook chronische ontstekingsziekten door vernietigde darmflora?
Dit lost ook een ander medisch raadsel op. Veel mensen worden geteisterd door chronische ontstekingsziekten. Uit eerder onderzoek weten we al dat deze op een of andere manier samenhangen met veranderingen in de darmflora. Ook andere ziekten – denk aan kanker, infecties en autoimmuunstoornissen – zouden op grond van deze ontdekking wel eens beïnvloed kunnen worden door de darmflora. In het geval van kanker willen artsen uiteraard juist een hyperactief immuunsysteem.
‘Eindelijk een verklaring voor allergie-explosie’ Al jaren zijn experts niet in staat een verklaring te vinden voor de enorme explosie van astma en allergieën in de laatste decennia. Volgens dit artikel is wellicht overmatig gebruik van antibacteriële middelen, zoals antibiotica, de oorzaak. Deze schakelen de natuurlijke darmbewoners, die het immuunsysteem onderdrukken, uit en maken ruimte voor opportunistische nieuwkomers die dit niet doen.
Bacillus stratosphericus – een eencellige die in hoge concentraties in de stratosfeer voorkomt, is een essentieel onderdeel van een nieuwe ‘super’ biofilm, ontworpen door een team wetenschappers van Newcastle University.
Verdubbeling vermogen reactor
Het team onderzocht 75 verschillende bacteriesoorten uit de monding van de Wear-rivier op hun vermogen elektriciteit op te wekken in een Microbial Fuel Cell (MFC). Door de best presterende bacteriesoorten te selecteren, waren ze in staat een kunstmatige biofilm te kweken die het elektrische vermogen van de reactor vergrootte van 105 watt per kubieke meter reactor naar 200 watt. Erg veel is dit niet – voor een gemiddeld huishouden is al gauw het vijfvoudige nodig – maar het is toch voldoende om in afgelegen delen van de wereld energie voor bijvoorbeeld verlichting te leveren. Ook is het uiteraard een zeer interesssante energiebron onder zonarme omstandigheden, bijvoorbeeld in de winter of in de nacht.
Stratosfeerbacterie blijkt best renderend
Onder de effectiefste bacteriën bevond zich B. Stratosphericus, gewoonlijk aangetroffen in de atmosfeer maar nu naar beneden gespoeld als een gevolg van atmosferische processen en in de rivierbedding gespoeld. Volgens de onderzoekers zijn er warschijnlijk nog veel effectievere elektriciteitsvormers onder de miljarden bacteriën.
De bioreactor waarmee werd geëxperimenteerd. Bron: Newcastle University
Hoe werken microbiële brandstofcellen? Microbiële brandstofcellen (MFC’s) werken ongeveer zoals een batterij, maar hebben op elektroden van grafiet een biofilm van bacteriën. Deze breken organische stoffen in het water af en geven hierbij aan de elektroden elektronen af (bio-katalytische oxidatie). De opgewekte spanning wordt weer afgetapt. Gewoonlijk zijn onderzoekers tevreden met de bacterielaag die spontaan op de polen groeit en doen ze proeven met bijvoorbeeld de configuratie, maar zoals nu blijkt, zijn bepaalde soorten veel productiever dan anderen.
Waarom wekken atmosferische bacteriën zoveel spanning op?
Naast B. Stratosphericus bleek ook een andere stratosfeerbacterie, Bacillus altitudinis, kampioen spanning opwekken. Een derde onderdeel van de mix was een tot dusver nog onontdekte bacteriesoort van de Bacteroidetes. Een interessante vraag is, waarom uitgerekend deze twee soorten erg goed blijken te zijn in het opwekken van spanning.
Overlevingsstrategie in droge omstandigheden?
Ik vermoed dat wellicht een verklaring is dat in hun leefomgeving – de hogere delen van de atmosfeer – het aantrekken van watermoleculen en stofdeeltjes van levensbelang is. De stratosfeer is een atmosferische laag tussen de tien en vijftig kilometer boven de aardoppervlakte. De stratosfeer is extreem droog met rond de 3-4 ppm water. Watermoleculen zijn polair en worden aangetrokken door elektrische ladingen. Wellicht gebruiken de bacteriën de elektronen dus als middel om een extreem hoge spanning op te wekken en zo een waterdruppeltje om zich heen aan te trekken. Dit zou ook de wolkvorming verklaren.
Of dit vermoeden klopt? Volgens onderzoek is er een relatie tussen bepaalde bacteriën en wolkvorming, vooral van ijskernen. Dit zou hierop aansluiten. Een experiment zal uit moeten wijzen hoe het precies zit.
Al miljarden jaren bestrijden bacteriën elkaar met vaak ingenieuze wapens. Steeds meer succesnummers uit dit uitgebreide wapenarsenaal worden nu tot medicijn omgetoverd.
Bacterieel wapenarsenaal
Bacteriën barsten soms open als kamikazestrijders die grote hoeveelheden geautomatiseerde wapens loslaten om vijandige bacteriën te vernietigen. Opmerkelijk genoeg richten deze wapens zich alleen op bepaalde klassen vijanden. Deze kunnen andere bacteriën zijn, maar ook protozoën of zelfs meercellige dieren, zoals mensen. Het goede nieuws is dat we nu steeds meer in staat zijn deze wapens te herprogrammeren en op de bacteriën zelf te richten. Zo kunnen we probleembacteriën uitschakelen terwijl we menselijke lichaamscellen en onschadelijke bacteriën onaangetast laten. De mogelijkheden zijn zeer groot – zo kunnen we allerlei biologische problemen bestrijden, variërend van insectenplagen tot bacteriën die voedselvergiftiging veroorzaken.
Pyocines zijn in feite bacterievirussen (fagen) zonder kop.
Eén harpoenkogel doodt hele bacterie
In 1954 ontdekte microbioloog François Jacob op het Institut Pasteur in Parijs dat een stam van de gevaarlijke ziekenhuisbacterie Pseudomonas aeruginosa een andere stam van dezelfde soort aanviel met een biochemische substantie. Deze stof, door Jacob pyocine genoemd, bleek alleen actief tegen deze soort, niet tegen andere soorten. Zeer uitzonderlijk voor een antibioticum.
Pyocines bleken niet alleen zeer selectief, ze bleken ook extreem krachtig. Eén enkel deeltje is al genoeg om een bacterie te doden. Andere onderzoekers ontdekten dat pyocines nog groot zijn vergeleken met de meeste toxines die bacteriën uitscheiden om met hun vijanden af te rekenen. Wanneer ze onder een elektronenmicroscoop werden gelegd, bleken de pyocines veel weg te hebben van raketten: een dikke buis met verschillende vezels, stekend uit één kant. De deeltjes zijn een combinatie van een drijvende mijn en een harpoen. In de dikke buis is een tweede, nauwere buis. Als de vezels het oppervlak van een cel raken, trekt de buitenste buis samen en perst de binnenste buis door de celwand van de cel, waardoor deze wordt vernietigd. Nog opmerkelijker: deze wapens werken alleen op specifieke soorten bacteriën en laten alle andere soorten ongemoeid.
Harpoengeweren vragen zelfmoordmissie Ook veel andere bacteriën produceren een dergelijke ‘slimme kruisraket’. Zo zijn er bacteriesoorten zoals entomophila, die insekten aanvallen. Het insekt stopt met eten en na een aantal maanden, als het insekt verzwakt is, zwermen de bacteriën uit en doen zich tegoed aan het weefsel van het insekt. Er is alleen een nadeel aan dit wapen: hun afmetingen zijn zo groot dat de bacteriën ze niet door hun dikke celwand kunnen wurmen. Ze loslaten vereist dus dat de bacterie zelfmoord pleegt. Dat dit toch gebeurt, komt omdat bacteriën meercelliger zijn dan ze lijken. Bacteriën van een bepaalde stam zijn genetisch nauw verwant en werken vaak intensief samen. Door zichzelf op te offeren om concurrerende bacteriën uit te schakelen, helpt een bacterie toch zijn eigen genen vooruit.
Lichtgevende bacterie werkt samen met worm en: bacterie-bajonet
Tijdens de Amerikaanse Burgeroorlog werden soldaten binnengebracht met lichtgevende wonden. Onderzoekers vermoeden nu dat de bacterie Photorhabdus hier wel eens verantwoordelijk voor had kunnen zijn. Wormen dragen deze eencellige in hun ingewanden en laten ze vrij als ze zich in een insekt hebben geboord. De bacteriën doden de gastheer vervolgens met een reeks wapens, waaronder een variant van de biologische raket. Het inwendige van het insect verandert in vloeistof en gaat licht geven als de bacteriën zich voeden. In tegenstelling tot andere soorten kan Photorhabdus de onderdelen van de harpoenen buiten zijn cel in elkaar zetten, waardoor de cel geen zelfmoord hoeft te plegen. Ook kan Photorhabdus de harpoenen laden met verschillende toxines,vermoedelijk elk voor een ander insekt. Ze zijn overigens extreem dodelijk: een insekt sterft binnen een kwartier na injectie. Andere bacteriën werken met iets dat lijkt op een bajonet. Speren steken uit de celwand en steken andere cellen waarmee de bacterie in aanraking komt. Sommige soorten hebben een giftige punt of injecteren gif en zijn in staat ook zoogdiercellen te doden. Of amoeben of witte bloedlichaampjes van binnen uit te doden.
Overgenomen van fagen?
Fagen zijn bacterievirussen. Deze vertonen een opmerkelijke gelijkenis met de slimme harpoenen, alleen fagen injecteren hun gastheer met DNA in plaats van deze te doden. Deze bacterie verandert in een faagfabriek en barst uiteindelijk open, waarbij een wolk fagen vrijkomt. De meeste microbiologen in het veld geloven daarom dat een faag ooit zijn genen ingebouwd heeft in een bacterie, waarbij deze nu in staat is faagachtige structuren te bouwen. De R-type pyocine die door Jacob is ontdekt lijkt inderdaad als twee druppels water op de “contractile-tailed” faag zonder capsule met DNA. Het type VI uitscheidingssysteem lijkt ook al op deze faag, deze keer zonder capsule en grijphaken. Een ander type pyocine met een buigzame buis lijkt een lambda-faag, maar dan zonder DNA-capsule. In tegenstelling tot fagen, die er natuurlijk alle belang bij hebben hun gastheer in leven te houden en dus de celwand op een of andere manier sluiten, slopen de pyocines effectief de cel waar ze zich aanhechten.
Wapens worden gekaapt
Dit bracht onderzoekers van AvidBiotics of South San Francisco, California op een idee. Zou je niet de grijpers van een bacteriespecifieke faag op een pyocine voor een andere soort kunnen zetten? Voor vrijwel iedere bacteriesoort is er wel een faag die zich richt op deze soort. Je hoeft dan alleen uit deze faag het DNA dat codeert voor de grijpers voor die nieuwe bacteriesoort te halen en dit samen te voegen met de romp-pyocine. Wat je dan krijgt is een zeer selectief biowapen. Het grote nadeel van antibiotica is dat je hiermee ook de naar schatting meerdere kilo’s nuttige bacteriën in en op ons lichaam ernstig aantast, waardoor ziekteverwekkende bacteriën geen concurrenten meer en dus vrij spel hebben. Met deze “magische kogel” is dat nadeel er niet. Een eerste experiment in 2008 verliep succesvol. In plaats van het vorige slachtoffer viel de pyocine nu E. coli aan. Als volgende, commercieel meer interessante, stap zette het team nu de aanval in op de beruchte E. coli variant O157:H7, beter bekend als de dodelijke EHEC-bacterie. Bij konijnen met deze bacterie bleek deze pyocine inderdaad symptomen als diarree te voorkomen of te verminderen. Het bedrijf heeft ook pyocines tegen Salmonella, Shigella en EHEC ontwikkeld en werkt nu aan een variant tegen de cholerabacterie.
Ingewandsziekten, longinfecties en biologische gewasbescherming
Pyocines zijn vooral interessant voor ingewandinfecties, omdat ons immuunsysteem direct de aanval inzet op pyocines in de bloedbaan, wat de therapie snel ineffectief zou maken. Om soortgelijke redenen kunen pyocines ook in de longen worden ingezet door middel van inhalers. Ook wordt er gewerkt aan pyocines die voedsel beschermen tegen infectie door bacteriën die voedselvergiftiging veroorzaken. Weliswaar kunnen de bacteriën ontsnappen aan pyocine-aanvallen door geen suikers meer aan te maken, maar juist deze suikers helpen ze aan celwanden te kleven, wat ze dus veel minder gevaarlijk maakt. Ook is nu de aanval ingezet op de Nieuw Zeelandse grasengerlingen. Nu worden deze al biologisch bestreden met S. entomophila, maar wanneer deze besproeid worden met pyocines, stoppen ze binnen een dag met eten. Ook kunnen ze gebruikt worden om medicijnen af te leveren bij bepaalde cellen (gesteld dat het immuunsysteemprobleem opgelost wordt uiteraard)
Voorbij faagtherapie
Al tientallen jaren wordt met wisselend succes geëxperimenteerd met faagtherapie: bacterievirussen gebruiken om bacteriën te doden. Helaas zijn fagen onvoorspelbaar. Zo kreeg de dodelijke EHEC-bacterie zijn genen van een faag. Wel beschikken fagen over nuttige technieken om tegen bacteriën te gebruiken. Zo gebruiken ze een enzym, lysine, om de celwand van een bacterie open te breken als de bacterie gereed is met faagdeeltjes te produceren. Lysine breekt door de celwand van een bacterie waardoor deze openbarst. Lysine vernietigt sommige soorten bacteriën ook vanaf de buitenkant. Inderdaad slaagde in 2010 microbioloog Vincent Fischetti er met zijn collega’s van de Rockefeller University in New York in om met een lysine uit een faag, multiresistente MRSA-bacteriën op de huid van een laboratoriummuis uit te schakelen. Op dit moment wordt deze ontdekking omgezet in een medicijn. Een andere onderzoeksgroep, deze keer van het Amerikaanse ministerie van Landbouw, is bezig drie lysines samen te smelten tot één medicijn,. Omdat deze lysines elk een ander onderdeel van de celwand aanvallen, is de kans vrij klein dat zich een resistentie ontwikkelt.
Bijster slim is een enkele bacterie niet, maar een kolonie bacteriën gedraagt zich toch behoorlijk geavanceerd. Onderzoekers hebben nu een nieuw model ontwikkeld, dat ook toegepast kan worden in zwermen robots.
In deze computersimulatie zoekt een zwerm bacteriën zijn weg door een oerwoud van obstakels
Intelligente zwerm
De onderzoekers van de Tel Aviv Universiteit in Israël hebben een rekenmodel ontwikkeld dat beter uitlegt hoe bacteriën bewegen in een zwerm en kan ook worden toegepast in computers, kunstmatige intelligenties en robots[1]. De principes die bacteriën gebruiken om te bewegen in een zwerm, kunnen ook heel goed gebruikt worden om computers, kunstmatige intelligentie en robots zwermgedrag te laten vertonen. Toepassingen die de onderzoekers noemen zijn het ontwikkelen van medische nanorobots die medicijnen in het lichaam afleveren of informatie op internet verzamelen over consumenten.
Waarom overleven domme bacteriën in een ingewikkelde omgeving?
Al zijn bacteriën klein en eenvoudig, ze hebben superieure overlevingsvaardigheden. De manier waarop ze beslissingen nemen en hun collectieve gedrag laat ze gedijen en zelfs verspreiden in zware leefomstandigheden. Als extreem simpele organismen zijn bacteriën uiteraard niet in staat tot hoogstaande informatieverwerkende processen. In een ingewikkelde omgeving, zoals binnen mensen of dieren, zouden bacteriën dus in de war raken. Althans, werd aangenomen.
‘Zelfvertrouwen’ redt bacteriën
Deze aanname blijkt fout. In een verrassende ontdekking stelden de onderzoekers vast dat bacteriën in feite superieure overlevingsvaardigheden hebben. Ze vinden veel eerder voedsel en ontwijken gevaar veel sneller dan complexere samenwerkende organismen zoals amoebes of vissen. Hun geheim: veel ‘zelfvertrouwen’.
Veel zwermen van ingewikkelder organismen worden vaak geplaagd door foutieve positieve feedback, iets dat veel voorkomt in complex terrein. Dit gebeurt als een subgroep van de zwerm op basis van verkeerde informatie de hele groep de verkeerde kant op stuurt. Bacteriën maken deze fout niet omdat ze via moleculaire, chemische of mechanische wijze communiceren.
Alleen ‘raad vragen’ als het mis gaat
Afhankelijk van hoeveel ‘zelfvertrouwen’ ze hebben kunnen bacteriën hun wisselwerking met hun medebacteriën aanpassen. Als een individuele bacterie een nuttig pad vindt, besteedt deze minder aandacht aan de signalen van anderen. Komt de cel een minder gunstig pad tegen, dan zal deze ‘raad vragen’ aan andere cellen. Elke cel volgt dezelfde strategie, waardoor de groep als geheel met vallen en opstaan een weg vindt in extreem complex terrein. Precies dit gedrag, dat maar weinig capaciteit en korte termijn geheugen vereist, werd verwerkt in het model van de onderzoekers. Dit principe kan ook leiden tot nieuwe, efficiëntere technologie.
Robots lenen bacterie-strategie
Ook robots moeten vaak in complexe omgevingen navigeren, zoals zo ongeveer elke denkbare omgeving buiten een lab. Ook moeten ze onderling communiceren. Op dit moment wordt dat moeizaam berekend wat uiteraard zeer veel rekenhulpbronnen van computers eist. De geheimen van zwermen bacteriën ontraadselen, kan ons helpen een nieuwe generatie robots te ontwikkelen die zich zonder al te veel ingebouwde slimheid kunnen bewegen in een omgeving en zich aanpassen aan wisselende omstandigheden, aldus de onderzoekers[2].
