07 juli 2015 door Webredactie Communication

Antibiotica doden bacterien, maar helaas slaat een kuur niet altijd aan. Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft hebben ontdekt dat bacterien omgevingen kunnen koloniseren waar dodelijke hoeveelheden antibiotica zijn, zonder resistent te worden. De sleutel is dat ze in grote groepen moeten samenwerken, want individueel maken de bacterien geen schijn van kans in de voor hen dodelijke omgeving. Het onderzoek, gepubliceerd in het vakblad "The ISME Journal", helpt wetenschappers beter te begrijpen hoe bacterien overleven wanneer de concentratie antibioticum lokaal varieert, een situatie die bijvoorbeeld in het lichaam ontstaat wanneer iemand een antibioticumpil inneemt. Met deze nieuwe inzichten kunnen wetenschappers het falen van antibiotica beter begrijpen en de werking ervan proberen te verbeteren.

Van `Paradijs' naar `Hel'

Voor het onderzoek maakte biofysicus Felix Hol, samen met onderzoekers Bert Hubert, Cees Dekker en Juan Keymer, twee kamertjes van ongeveer 8 millimeter lang, verbonden met elkaar via een zeer dun kanaaltje waar bacterien doorheen kunnen zwemmen. "De ene kamer is een paradijs voor bacterien, met een constante stroom voeding, waar ze zich zeer snel vermeerderen", vertelt Hol. "De andere kamer kan je zien als een spreekwoordelijke hel: de kamer bevat naast voedsel een zeer hoge dosis van het antibioticum kanamycin, dodelijk voor deze bacterien. Je zou intuitief verwachten dat de bacterien daar wel weg zouden blijven, maar dat blijkt niet zo. Ons onderzoek laat zien dat de bacterien gezamenlijk proberen de dodelijke kamer te koloniseren. Dat lukt alleen als de `invasie' door een bacteriegroep met een hoge dichtheid gebeurt."

IFrame

Grote groepen

Niet elke `invasie' is overigens succesvol. "In het begin is de bevolkingsdichtheid in het `paradijs' nog niet zo hoog. De eerste groepen die de oversteek wagen, zijn vaak nog klein, enkele tientallen tot honderd bacterien; die redden het niet. Na ongeveer een uur of acht worden de groepen zo groot en geconcentreerd dat ze de dodelijke omgeving succesvol kunnen koloniseren. Vervolgens vermeerderen de bacterien zich in de aanwezigheid van het antibioticum en wordt de bacteriepopulatie in de dodelijke omgeving even groot als in het bacterieparadijs", stelt Felix Hol. "Dat lukt ze overigens niet altijd. Bij vier van de tien experimenten slaagden de bacterien er in het compartiment met antibiotica te koloniseren, bij twee niet. Bij vier was er wel een geslaagde invasie, maar overleefde de populatie niet."

Geen resistentie

Opmerkelijk is dat de bacterien na het koloniseren van de dodelijke omgeving geen resistentie tegen het antibioticum ontwikkeld hadden. "Als ik de bacterien na afloop onderzocht, bleken ze, met uitzondering van een experiment, niet resistent tegen het antibioticum te zijn geworden. Ze weten dus samen een effectieve verdediging te creeren, door zich op een of andere manier collectief aan te passen."

Het onderzoek kan meer inzicht geven in het gedrag van bacterien in het menselijk lichaam. In het lichaam vormen medicijnen zoals antibiotica concentratie-gradienten: in de darmen is de concentratie veel hoger dan bijvoorbeeld in de longen, maar ook door het periodiek innemen van medicijnen kunnen er grote verschillen ontstaan. "Het onderzoek laat zien hoe bacterien omgaan met zulke gradienten. Uiteindelijk kan dat helpen om beter te begrijpen waarom bepaalde medicijnen wel of niet goed werken, en waarom sommige bacteriele infecties moeizaam genezen", stelt bionano-professor Cees Dekker. "Daarnaast kan het helpen beter te begrijpen hoe bacterien resistent worden tegen medicijnen. Mogelijk is deze manier van kolonisatie waarbij resistentie niet nodig is, een eerste stap, waarna door natuurlijke selectie in de dodelijke omgeving resistente bacterien ontstaan."

Onbegrepen mechanisme

Het precieze mechanisme waardoor de bacterien de dodelijke omgeving kunnen koloniseren, is nog grotendeels onbegrepen. Een hypothese is dat ze zich gedragen op een manier die lijkt op een `Testudo', de schildpadformatie van Romeinse soldaten: samen vormen ze een groot schild dat een effectieve buffer vormt tegen de vijandige omgeving. In vervolgonderzoek zouden de wetenschappers graag het precieze biologische mechanisme dat de bacterien in staat stelt dit gedrag te vertonen, ontrafelen.