Bacteriën als levende fabriekjes voor de productie van antibiotica

Antibiotica doden bacteriën per definitie. Toch is het wetenschappers van de TU Delft nu gelukt om bacteriën zo aan te passen dat ze veelbelovende hoeveelheden van een eenvoudig carbapenem-antibioticum produceren. Carbapenems werken tegen een groot aantal bacteriën, en worden meestal pas ingezet wanneer andere antibiotica geen effect hebben. Op dit moment worden ze uitsluitend op synthetische wijze geproduceerd, maar dat is duur en slecht voor het milieu. Dit onderzoek wijst erop dat krachtige antibiotica op een biologische manier kunnen worden geproduceerd, door bacteriën in te zetten als ‘levende fabriekjes’.

Antibiotica zijn overal om ons heen. Schep een handjevol aarde uit een willekeurige tuin, en de kans is groot dat er een antibioticum in zit dat nog niet eerder is ontdekt. Microben maken de bacteriedodende stofjes van nature in kleine hoeveelheden aan, om zich te beschermen tegen andere, vijandige organismen. Helaas zijn we niet in staat om veel van de antibiotica die in de natuur te vinden zijn te produceren, bijvoorbeeld omdat de organismen die ze produceren niet in het laboratorium of in een vergister groeien.  

Groeiende resistentie
Inmiddels raken veel van onze huidige antibiotica uitgewerkt. Bacteriën die bestand zijn tegen verschillende antibiotica-families zijn zich snel aan het verspreiden. Zogeheten ‘carbapenems’ zijn één van de laatste redmiddelen. “Deze antibiotica verstoren de vorming van de celwand en zorgen ervoor dat bacteriën exploderen”, aldus onderzoeker Helena Shomar, die het onderzoek leidde.

Maar aan carbapenems kleven ook de nodige nadelen. Zo kunnen ze niet op biologische wijze worden verkregen, door middel van fermentatie, maar alleen synthetisch worden gemaakt. Dat maakt de antibiotica duur. “Bovendien is de productie van carbapenems niet milieuvriendelijk, doordat er aan het einde van het proces chemisch afval overblijft”, aldus groepsleider Greg Bokinsky.

Bacterieel fabriekje
De Delftse onderzoekers bedachten een tegenintuïtieve oplossing voor de bovengenoemde problemen. Ze bouwden E. Coli-bacteriën zo om dat ze Car, een relatief eenvoudige antibacteriële stof, gingen produceren. “hiervoor leenden we uit een andere bacteriesoort, P. carotovorum, drie genen waarvan bekend is dat ze verantwoordelijk zijn voor de productie van Car”, zegt Shomar. “Die genen introduceerden we vervolgens in E. Coli.”

Het inbouwen van de drie Car-genen in E. Coli zorgde er inderdaad voor dat de bacterie Car ging aanmaken, maar wel in slechts kleine hoeveelheden. Shomar: “Om aan te tonen dat deze route kan leiden tot massaproductie van carbapanems, moesten we ervoor zorgen dat E.Coli meer Car ging aanmaken.”

Inactief enzym
Twee extra stappen waren nodig om de Car-productie omhoog te krijgen. De belangrijkste bottleneck was een inefficiënt enzym. De onderzoekers introduceerden nog een gen in E. coli, waardoor het een eiwit aanmaakte dat het enzym helpt om actiever te zijn.

Een tweede beperkende factor was het toxisch effect van het antibioticum op de omgebouwde E. Coli-bacteriën. Die produceerden namelijk zoveel Car dat de populatie snel stierf. Om hun dood zo lang mogelijk uit te stellen maakten de onderzoekers de bacteriën op kunstmatige wijze ‘persistent’. “Persistente bacteriën groeien niet, wat ervoor zorgt dat ze langer overleven in de aanwezigheid van antibiotica”, licht Shomar toe. De ingreep hield de bacteriën net wat langer in leven, waardoor ze meer Car konden produceren. 

Proof of concept
De omgebouwde bacteriën zijn een ‘proof of concept’. “Hoe tegenintuïtief het ook klinkt, ons onderzoek wijst erop dat E. Coli de potentie heeft om carbapenems te produceren”, aldus Shomar.

De hoeveelheid Car die de onderzoekers in het lab produceerden, zo’n 54 milligram per liter, is weliswaar veelbelovend,  maar nog niet toereikend voor massaproductie. “Maar met een aantal extra stappen kunnen we met deze methode mogelijk complexere carbapenems produceren, in hoeveelheden die geschikt zijn voor massaproductie”, aldus Bokinsky.

Hoe lang het duurt om die stappen te zetten? “Mijn optimistische schatting zou zijn: ongeveer vijf tot tien jaar”, zegt Bokinsky. “Maar dan moet een volledig onderzoekteam van een man of tien er wel fulltime aan werken.”

*******

'Metabolic engineering of a carbapenem antibiotic synthesis pathway in Escherichia coli', Helena Shomar, Sophie Gontier, Niels J. F. van den Broek, Héctor Tejeda Mora, Marek J. Noga, Peter-Leon Hagedoorn & Gregory Bokinsky, Nature Chemical Biology
DOI: 10.1038/s41589-018-0084-6

Helena Shomar
H.ShomarMonges@tudelft.nl
015- 2787310