Onderzoekers hacken bacterie-wapenarsenaal

Share Button

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.

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.

Bron:
Driller Killers: turning bactria’s weapons on them, New Scientist (2012)

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger