In bruikleen bij de natuur: 3 technieken in de strijd tegen antibioticum resistentie

Toen microbioloog Alexander Flemming in 1928 op vakantie trok, liet hij enkele petrischalen met bacteriële kolonies achter op zijn werkbank. Bij zijn terugkomst twee weken later, trof hij een schimmel op één van de platen aan. Tot zijn verbazing, merkte hij een heldere zone rond de schimmel op, waarin geen enkele bacterie te bespeuren was. Flemming besloot dit bijzonder tafereel nauwer te onderzoeken en ontdekte dat de schimmel een buitengewoon effectieve antimicrobiële stof aanmaakte. Hij doopte deze stof tot ‘penicilline’, en het eerste antibioticum was geboren!

Na de ontdekking van penicilline volgden gouden jaren: nieuwe klassen moleculen werden razendsnel ontdekt en verschenen in een ijltempo op de markt. Jammer genoeg wisten bacteriën zich even snel aan de nieuwe antibiotica aan te passen. Een kleine eeuw later is antibioticum resistentie alomtegenwoordig.

Vandaag de dag is de vraag naar nieuwe antimicrobiële strategieën groter dan ooit. Zoals de natuur aan de basis lag van de ontdekking van penicilline, vormt de natuur een belangrijke inspiratiebron voor het ontwikkelen van nieuwe antimicrobiële middelen. In dit artikel neem ik jullie mee naar de wondere wereld van zeesponzen, insecten en bacteriën. Samen ontdekken we hoe deze organismen wetenschappers helpen in de strijd tegen antibioticaresistentie.

Spongebob GermPants: de kracht van mariene sponzen

Mariene sponzen maken een reservoir aan antibacteriële componenten (Foto door NOAA via Unsplash)

Neem je badgoed  bij de hand, want als eerste stop duiken we de onderwaterwereld in. We zwemmen tot wel 9 meter diep en bezoeken het mogelijks best-gekende zeediertje op aard: de mariene spons. Bij het brede publiek beroemd door zijn rol in de populaire Nickelodeon serie, maar bij wetenschappers befaamd om zijn opmerkelijk repertoire aan farmaceutische componenten. Om zijn mannetje te staan in het complexe, competitieve mariene ecosysteem, produceert de spons een breed scala aan antimicrobiële componenten. Deze mariene schatkist vormt een bron van inspiratie voor het ontwikkelen van nieuwe antibacteriële en antivirale therapieën.

Onderzoekers aan het LOMAC en MiCA labo (KU Leuven) bestudeerden de chemische rijkdom van de spons en ontwikkelden een proces waarmee ze de beloftevolle spons-componenten kunnen nabouwen. Via chemisch knutselwerk, slaagden ze erin de specificiteit en toxiciteit van de moleculen te verfijnen en te implementeren in tal van praktische toepassingen.

Bug busters: hoe insecten infecties vermijden

Na de zwemsessie, strompelen we terug het droge op en gaan we de natuur in. We halen de entomoloog in ons naar boven, en verdiepen ons in de wondere wereld van de insecten. Onderzoekers wenden zich vaak tot het insectenrijk om nieuwe ideeën op te doen. Denk maar aan de op-sprinkhanen-geïnspireerde robots of de op-vlinder-gebaseerde kleurstoffen. Ook voor antimicrobiële toepassingen zijn deze kleine diertjes enorm nuttig. Ik zou een boek kunnen schrijven over het potentieel van insecten, maar beperk me hier tot mijn persoonlijke favoriet – de drakenvlieg.

Wanneer je microscopisch inzoomt op de vleugels van de drakenvlieg, zie je een opvallend patroon. Op nauwkeurig gepositioneerde plaatsen, springen scherpe pieken uit het oppervlak. Deze spiesen kunnen bacteriële cellen doorboren, met een tragische dood tot gevolg. Zelfs als de spiesen de bacterie niet volledig weten te doorprikken, veroorzaken ze toch voldoende chaos in de bacteriële cel om zijn aanhechting tot de vliegenvleugel te belemmeren.

Onderzoekers aan de Londense Universiteit Imperial zagen potentieel in deze prikkende patronen, en probeerden de drakenpieken na te bootsen op plastieken plaatjes. Door te spelen met de lengte en het patroon van de pieken, wisten ze de antimicrobiële eigenschappen van de plaatjes te manipuleren (Ripple Patterns Spontaneously Emerge through Sequential Wrinkling Interference in Polymer Bilayers | Phys. Rev. Lett.). De onderzoekers kijken nu hoe ze de nanopatronen op grote schaal kunnen aanbrengen om de antimicrobiële capaciteit van oppervlakken te verhogen.

De wapenwedloop tussen bacteriën

Om af te sluiten, maken we ons klein – microklein – en zoeken we inspiratie in de leefomgeving van de bacteriën zelf. Bacteriën zijn nooit alleen. Ze botsen vaak op soortgenoten wanneer ze een slaap- of eetplekje willen bemachtigen. Om hun plekje in het ecosysteem te garanderen, maken ze antibacteriële stoffen aan.

Neem nu bijvoorbeeld de bodembacteriën Brevibacilli. Deze bacteriën produceren antimicrobiële peptiden genaamd ‘Tyrothricinen’ die schadelijk zijn voor een breed gamma aan Gram positieve en Gram negatieve bacteriën.

Professor Marina Rautenbach (Universiteit van Stellenbosch) zag al vroeg de waarde van tyrothricines in. Met haar onderzoeksteam onderzoekt en stuurt ze de werking van deze natuurlijke peptiden bij. Zo ontdekte ze dat een kleine wijziging in de voeding van de bodembacterie, de specificiteit van de peptiden verandert (Modelling the variable incorporation of aromatic amino acids in the tyrocidines and analogous cyclodecapeptides | Journal of Applied Microbiology | Oxford Academic). Momenteel bekijkt haar groep hoe ze de bacterie efficiënter kan laten produceren, om de beloftevolle componenten massaal beschikbaar te maken.

Co-funded by the European Union