* Nieuws
De speurtocht naar meer antibiotica
Streptomyceten lijken op schimmels, maar het zijn bacteriën die in de
grond leven. Ze zijn erg populair in de biotechnologie omdat ze veel
antibiotica en enzymen produceren. Met zijn Vici-project gaat Gilles
van Wezel manieren zoeken om die productie te verhogen.
Gilles van Wezel: `We kunnen de antibioticumproductie met
behulp van een moleculaire schakelaar aanzetten.'
STW
`Het bijzondere aan dit Vici-project is', zegt Van Wezel, `dat
het wordt gefinancierd door de Stichting Toegepaste
Wetenschappen (STW). Het is voor het eerst dat Leiden als
`gewone' universiteit zo'n subsidie, die doorgaans naar de
technische universiteiten gaat, in de wacht sleept. Het
illustreert ook dat ik me richt op de biotechnologie.' Van
Wezels Vici-project is een voorbeeld van hoe fundamenteel en
toegepast werk hand in hand kunnen gaan.
Celdeling
Streptomyceten produceren naast antibiotica een breed scala aan
nuttige enzymen, gebruikt in onder meer de wasmiddelen- en
voedingsindustrie. Deze grondbacteriën zijn als exotisch
organisme bij uitstek geschikt om de celdeling te bestuderen.
De vermeerdering en deling van cellen is een complex proces.
`Streptomyceten zijn de enige organismen, waarin celdeling niet
essentieel is, zodat hierbij gemakkelijk mutanten gemaakt en
bestudeerd kunnen worden', zegt Van Wezel. Naast deze
fundamentele heeft hij ook een praktische reden om de celdeling
bij streptomyceten te bestuderen, namelijk de verbetering van
de groei in fermentoren (groeivat voor micro-organismen).
Verschillende streptomyceten geïsoleerd uit Franse bosgrond.
Alle stammen produceren tenminste twee tot drie verschillende
antibiotica.
Moleculaire schakelaar
Streptomyceten hebben een complexe levenscyclus die erg lijkt
op die van draadvormende (filamenteuze) schimmels, zoals de
schimmel die penicilline levert. Na de ontkieming van een spore
ontstaat in de grond een dradennetwerk, het mycelium. Zodra het
voedsel in de bodem opraakt, wordt een luchtmycelium gevormd,
dat er wit en donzig uitziet. Het luchtmycelium vormt sporen,
die resistent zijn tegen hitte en uitdroging en die weer
verspreid worden. Tijdens de ontwikkeling kannibaliseert de
streptomyceet zijn eigen mycelium om aan de nodige bouwstoffen
te komen. Omdat op dat moment in de bodem geen voedingsstoffen
meer aanwezig zijn trekt dat andere bacteriën aan en
vermoedelijk worden juist dan antibiotica geproduceerd om
ongewenste gasten buiten de deur te houden.
Elektronenmicroscopische detailopnamen van een spore van een
streptomyceet bedekt met eiwitvezels (links) en een zich
delende cel (rechts). Foto's i.s.m. het Centrum voor
Elektronenmicroscopie, LUMC.
Signaalmolecuul
Vorig jaar nog hebben Van Wezel c.s. het mechanisme opgehelderd
dat ervoor zorgt dat de antibioticumproductie in streptomyceten
wordt aangezet. Een signaalmolecuul speelt hierbij een cruciale
rol. Dit molecuul inactiveert het regulatie-eiwit DasR, dat de
antibioticumproductie onderdrukt. Als DasR niet actief is, ligt
de weg naar productie helemaal open. Van Wezel: `We kunnen de
antibioticumproductie met behulp van een moleculaire schakelaar
aanzetten door het signaalmolecuul toe te voegen aan een
kweekmedium. Wat vooral erg interessant is, is dat ook veel
antibiotica die we normaal niet zien opeens zichtbaar worden.'
Goudmijn
Het is duidelijk dat deze ontdekking een goudmijn vormt in een
tijd waarin de behoefte aan nieuwe antibiotica net zo actueel
is als zestig jaar geleden. De dalende trend in het ontdekken
van nieuwe antibiotica is een groot probleem voor de
wereldgezondheid. Van Wezel coördineert ook een ander door STW
gefinancierd project waarin samen met andere Leidse
wetenschappers als Erik Vijgenboom, Hermen Overkleeft, Mark
Overhand, Rob Verpoorte en Young Choi actief gespeurd wordt
naar verborgen antibioticumclusters, de antibiotica van de
toekomst dus.
Knock-outmutanten
In zijn eigen Vici-project staat dus de celdeling in relatie
tot de groei van streptomyceten centraal. In de vorming van
celwandmateriaal is het SsgA-eiwit cruciaal. Alle
streptomyceten hebben meerdere SsgA-achtige eiwitten (SALPs).
Van Wezel: `We hebben recentelijk stammen gemaakt die de
informatie voor één van de eiwitten missen, de zogenoemde
knock-outmutanten. Het blijkt dat SALPs zonder uitzondering een
rol spelen bij de celdeling, van stimulering van de celdeling
tot aan het scheiden van de rijpe sporen.'
Streptomycetencultures zonder en met productie van een blauw
antibioticum.
Gepatenteerde technologie
De basis van dit onderzoek is al eind 1996 gelegd met het
verzoek van DSM-Delft om te proberen streptomyceten meer
gefragmenteerd te laten groeien. In de fermentor vormen
streptomyceten veelal eindeloos lange hyfen (de draden die
samen het mycelium vormen) en dichte netwerken van in elkaar
verweven hyfen. Van Wezel: `Deze groeivorm is zeer ongunstig
voor een grote productieschaal. De grote myceliumklonten leiden
tot trage groei met een te lage opbrengst als resultaat. SsgA
heeft een sterke invloed op de groei, hoe meer SsgA hoe meer
celdeling en fragmentatie. Dit maakt het mogelijk om de groei
genetisch te beïnvloeden en met behulp van een aantal
genetische tools als het ware achter de knoppen te zitten.'
Deze gepatenteerde technologie blijkt tot een aanmerkelijke
rendementsverbetering te leiden.
`Black box'-benadering
`We hebben inmiddels een aantal stappen in de goede richting
gezet, maar we stuitten toch op een nieuw probleem: de relatie
tussen groei en antibioticumproductie. Veel antibiotica hebben
een minimum klontgrootte nodig voordat er iets gemaakt kan
worden, terwijl andere antibiotica en veel enzymen juist baat
hebben bij heel kleine fragmenten. Dit fenomeen is eigenlijk
nog nooit onderzocht. Doorgaans geeft de industrie er de
voorkeur aan om productiestammen via een `black box'-benadering
te optimaliseren. Niemand weet dan ook waar in streptomyceten
de producten gemaakt en uitgescheiden worden. Is dit aan de
uiteinden, waar de groei plaatsvindt, of juist in het midden
langs de wand van de hyfen? Inzicht hierin is noodzakelijk,
omdat het alleen dan mogelijk wordt om te komen tot gerichte
stamverbetering.'
Celdeling te zien als een ladder van scheidingswanden tussen
cellen in een luchthyfe van een streptomyceet.
Continuïteit
In Van Wezels Vici-project, dat ondersteund wordt door DSM en
Danisco-Genencor, staan drie onderzoekslijnen centraal. Het
analyseren waar productie en afscheiding plaatsvinden en hoe
deze reageren op groeicondities, bepalen hoe de activiteit van
de sleutelgenen afhangt van groei en groeisnelheid en een
voorspellend computermodel bouwen waarin alle data worden
geïntegreerd, in samenwerking met Mark van Loosdrecht en
Christian Picioreanu van de TU Delft, zodat als het ware een
digitale testrun van een fermentatie gedraaid kan worden en
veel gerichter processen kunnen worden gestuurd en verbeterd.
Verder gaat hij innovatieve technologie voor genetische
manipulatie van streptomyceten ontwikkelen. Van Wezel: `Juist
door de tweeledigheid (fundamenteel en toegepast) is intensieve
samenwerking tussen de TU Delft en de Universiteit Leiden van
groot belang voor de continuïteit van dit type onderzoek.'
(12 mei 2009/SH)
Webredactie - 12/05/2009
Universiteit Leiden