Hoe een fluorescerende kwal helpt bij het opsporen van virussen

Diep in de stille, donkere oceaan zweeft de kwal Aequorea victoria. Haar lichaam wiegt zachtjes op de stroming. In de omringende duisternis straalt ze een groene gloed uit, als een klein, flakkerend licht dat de eindeloze zee doorklieft en een geheim van de oceaan verraadt. Deze mysterieuze gloed trok de aandacht van Osamu Shimomura, een Japanse onderzoeker gefascineerd door licht in de natuur.

Elke zomer reisde Shimomura met zijn gezin duizenden kilometers naar Friday Harbor, aan de westkust van de VS, op jacht naar lichtgevende kwallen. Tussen de geur van zout water en stapels petrischaaltjes sneed hij met een zelfgemaakt ‘kwallensnijapparaat’ de randen van hun hoed af – precies waar het geheim van hun gloed zat. Toen hij het uitgeperste squeezate onderzocht, gebeurde iets magisch: zodra hij calcium toevoegde, lichtte het blauw op, en in de kwal zelf veranderde het licht in helder groen. Zo ontdekte hij dat twee eiwitten samenwerken:  aequorine, dat blauw licht maakt, en een tweede eiwit dat dit licht opvangt en omzet in groen: het green fluorescent protein, of kortweg GFP.

Wat begon als nieuwsgierigheid naar een glimmende kwal, leverde hem decennia later samen met Martin Chalfie en Roger Tsien de Nobelprijs voor de Chemie op. Vandaag, lang na dat eerste flikkerende licht in Friday Harbor, maakt datzelfde kwallicht het onzichtbare zichtbaar: virussen.

Het onzichtbare wordt zichtbaar

In ons laboratorium, The Laboratory of Virology & Antiviral Research, zoeken we naar antivirale geneesmiddelen om virale infecties te bestrijden en om ons ook voor te bereiden op de volgende epidemie of pandemie. Maar voordat we een middel kunnen testen, moeten we eerst de virussen zelf kunnen “zien”.

Doorgaans gebruiken onderzoekers hiervoor een zogenaamd reporter-eiwit, zoals GFP, dat het virus letterlijk groen laat oplichten wanneer het zich vermenigvuldigt. Handig, maar dit kan het virus veranderen of verzwakken. Bovendien moet dit voor elk virus apart gebeuren, wat tijdrovend is.

Wij doen het anders: we gebruiken split-GFP. Het GFP wordt opgesplitst in twee delen, GFP1-10 en GFP11. Apart geven deze stukjes geen licht, maar wanneer ze weer samenkomen, vormen ze opnieuw een actief GFP dat groen oplicht.

Cellen met ‘verrood’ in de celkernen links, en rechts cellen geïnfecteerd met mazelenvirus.

En dat is nog niet alles! Veel virussen, zoals de Paramyxovirussen, denk aan mazelen en bof, kunnen cellen laten samensmelten, of fuseren. Stel je twee groepen cellen voor: de ene bevat GFP1-10, de andere GFP11. Alleen geven ze geen licht. Maar zodra een fuserend virus de groepen infecteert en samenbrengt, versmelten de cellen en BOEM, het groene licht verschijnt!

Dankzij deze test zien we virussen live in actie, terwijl ze cellen als puzzelstukjes aan elkaar smelten en zich verspreiden.

Halt!

Met de split-GFP test kunnen we niet alleen volgen hoe het virus zich vermenigvuldigt, maar ook ontdekken welke moleculen het virus een halt kunnen toeroepen. Daarvoor voegen we potentiële antivirale middelen toe op het moment van infectie en maken daarna beelden van de cellen om het groene signaal te bekijken. Als het signaal minder aanwezig is of helemaal verdwijnt, weten we dat het geteste molecuul het virus heeft afgeremd of zelfs volledig heeft gestopt.

Extra slim: deze cellen bevatten ook een eiwit dat verrood oplicht in de kern, zodat we kunnen zien hoeveel cellen nog leven. Minder verrood betekent dat het molecuul toxisch is en dat willen we vermijden. Zo selecteren we in één experiment zowel werkzame als veilige moleculen.

Één licht, vele virussen en nog meer antivirale kansen

Wat deze test zo bijzonder maakt, is haar veelzijdigheid. Met één systeem kunnen we allerlei virussen bestuderen, zolang ze de cellen kunnen infecteren en fusie veroorzaken. Wild-type virussen en klinische isolaten kunnen direct onderzocht worden, wat het systeem ideaal maakt voor nieuwe of onbekende virussen.

Bovendien is de test efficiënt: in één analyse meten we zowel de antivirale activiteit (het groene signaal) als de toxiciteit van het geteste molecuul (het verrode signaal). Dat bespaart tijd, materiaal en extra experimenten. Ons systeem is niet alleen schaalbaar, efficiënt en robuust, maar kan ook volledig geautomatiseerd worden dankzij Caps-It, een volautomatisch hoogbioveiligheidslaboratorium in ons instituut. Zo kunnen we duizenden moleculen snel en efficiënt onderzoeken om te zien welke het virus tegenhouden.

So what?

Er bestaan vandaag nog geen goedgekeurde antivirale middelen tegen Paramyxovirussen, ondanks hun potentieel voor pandemieën. Onze split-GFP test maakt het mogelijk om veel sneller en efficiënter potentiële antivirale middelen te vinden. Dat versnelt de ontwikkeling van antivirale therapieën en vergroot de kans op succes bij toekomstige uitbraken. Zo zetten we een belangrijke stap richting een toekomst waarin we beter voorbereid zijn op de pandemie van morgen.

Wie had gedacht dat een kwal ons ooit zou helpen virussen te bestrijden?