Computers tegen ziektekiemen: de ultieme strijd?

                                

Microbiologie in hapklare porties


Computers tegen ziektekiemen: de ultieme strijd?

Antibioticaresistentie is een enorm probleem. Ons repertoire van antibiotica om ernstige bacteriële infecties te behandelen wordt in rap tempo nutteloos. Om je enig perspectief te geven: in 1928 ontdekte Alexander Fleming het antibioticum penicilline (1), dat de geneeskunde voor altijd veranderde (nou ja, in ieder geval tot nu toe, ongeveer 70 jaar later). Dit antibioticum werd gebruikt in de loopgraven van WO2 om infecties te helpen behandelen (2). Toen penicilline aan het begin van de jaren 1940 commercieel beschikbaar werd, ontwikkelden de eerste bacteriën al een resistentie tegen dit “wondermiddel”. 

Bacteriën kunnen op verschillende manieren resistent worden tegen penicilline en andere antibiotica, onder meer door genetische informatie uit te wisselen. Hoewel bacteriën nooit helemaal onschadelijk zijn, hebben sommige resistente bacterien meer gevolgen dan andere, zoals mijn favoriete bacterie Pseudomonas aeruginosa. Gezien de zorgwekkende toename in antibiotica-resistentie hebben we nieuwe instrumenten nodig om dit zorgwekkende, wereldwijde probleem aan te pakken.

Pseudo… Watte?

Pseudomonas aeruginosa is een ziekteverwekker die bij voorkeur mensen infecteert met aandoeningen van de bovenste luchtwegen, zoals Cystic Fibrosis (CF) (3). Zorgwekkend is ook dat P. aeruginosa patiënten kan besmetten via medische apparatuur. Dit gebeurt door de vorming van biofilms op katheters en andere implantaten. Hierdoor zijn patiënten een gemakkelijk doelwit. Gedurende mijn onderzoekstijd was ik gefascineerd door de immunologie achter dit soort infecties, wat mij ertoe aanzette om hier meer over te weten te komen. 

P. aeruginosa op een plaat. De blauwe kleur komt door the fenazine ‘pyocyanin’. Eigen werk. Leer meer over P. auruginosa aan het eind van het artikel.

Het immuunsysteem van CF-patiënten functioneert niet op hetzelfde niveau als dat van jij of ik, wat betekent dat de witte bloedcellen die normaal gesproken ziekteverwekkers – zoals P. aeruginosa – moeten verwijderen, niet erg effectief zijn (3). Hierdoor kan de ziekteverwekker zich koloniseren en biofilms vormen, waardoor de infectie zich uitbreidt. Deze biofilms zijn een verzameling bacteriën omgeven door een dikke laag suikers en eiwitten – ondoordringbaar voor conventionele antibiotica. In termen van Star Trek kan je een biofilm zien als de “schilden” van de USS Enterprise.

Een ander instrument dat P. aeruginosa in zijn infectierepertoire heeft zijn fenazines – moleculen die ijzer en andere voedingsstoffen voor zijn gastheer wegvangen (4). Met deze en andere trucjes doden fenazines – direct en indirect – andere bacteriën in de omgeving (zegmaar een MicroBite uit de competitie happen – sorry, dat moest even!). Onze metafoor volgend, kunnen de fenazines worden beschouwd als de “Phasers” van de Enterprise.

Het blijkt dat biofilms en fenazines nauw met elkaar verbonden zijn – om biofilms te vormen, moeten voedingsstoffen aan de bacteriën worden geleverd. Maar om deze voedingsstoffen te krijgen, moeten de bacteriën fenazines produceren. Fenazines worden weliswaar voortdurend door de bacterie geproduceerd, maar de productie ervan neemt aanzienlijk toe tijdens de vorming van een biofilm. Zouden fenazines dus het doelwit van therapeutische middelen kunnen zijn? We weten bijvoorbeeld dat P. aeruginosa-stammen die geen fenazines kunnen produceren, gevoeliger zijn voor antibiotica.

Fenazines zijn essentieel voor de overleving van P. aeruginosa biofilms. Ze verzamelen voedingsstoffen, ijzer en andere verbindingen. De ophopende werking doodt ook andere bacteriën in de strijd om voedingsstoffen. De productie van fenazine is een belangrijk doelwit voor nieuwe therapiëen. Afbeelding naar O’Brien en Fothergill, 2017.

Dus we willen de Enterprise om zeep helpen? Maar ik heb een zwak voor Jean-Luc.

We willen de schilden van de Enterprise verwijderen door eerst de phasers onklaar te maken. Maar ja, ik denk dat we de Enterprise uiteindelijk doden…

Een natuurlijke manier om de phasers fenazines onschadelijk te maken is ze af te breken met enzymen – en de natuur heeft ons zo’n enzym gegeven – PodA (zie het als de fenazine-killer). Als wetenschappers zouden we dit enzym normaal gesproken testen door het uit de gastheer te halen en de effecten op het doelwit te bekijken. Maar in dit geval wordt PodA niet voldoende geproduceerd voor experimenteel gebruik (5). Daarom hebben VanDrisse en zijn collega’s in een recente studie de computer ingeschakeld om te helpen bij de productie van PodA. Computers worden in hoog tempo een essentieel onderdeel van de experimentele pijplijn op alle gebieden van de biologie.

Computers kunnen naar de structuur van eiwitten kijken en ze op moleculair niveau wijzigen om efficiënter te werken (6). Wat wij normaal zouden doen is de structuur van het eiwit beoordelen en verbeteringen aanbrengen om de vouwing van het eiwit efficiënter te maken, of de gevoeligheid voor afbraak te verminderen. In feite (en nu ga ik een beetje op een zijspoor), als je gehoord hebt van GFP (Green Fluorescent Protein), hebben wetenschappers de structuur van dit eiwit gemanipuleerd om het vouwen te verbeteren en het eiwit stabiel te maken. Nu we het toch over GFP hebben, er bestaan ook versies van dit molecuul die bestand zijn tegen veranderingen in pH (een molecuul die pHluorine wordt genoemd, voor de geïnteresseerden)! In deze studie gebruikten de wetenschappers de computer om de productie van PodA te verbeteren (dat voor een 20-voudige toename van de productie zorgt) door 5 mutaties in het gen van PodA te introduceren. Ook maken deze mutaties het mogelijk om PodA in kleine zakjes (microvesicles) te verpakken.

Voorheen was de 3D-verpakking van PodA inefficiënt voor massaproductie. Met deze 5 mutaties kan de ruimtelijke oriëntatie van PodA efficiënter worden verpakt, zodat meer PodA kan worden afgescheiden in deze microdeeltjes, en dus de productiviteit toeneemt. Door de verhoogde productie van PodA kunnen wetenschappers meer van dit enzym extraheren. Vervolgens hebben ze het effect van PodA op fenazines getest en het resultaat van deze experimenten laat inderdaad zien dat PodA fenazines afbreekt. Volgens de voorspelling leidt dit ook tot het verdwijnen van Pseudomonas-biofilms. De studie was dus een succes!

Dat is cool en zo, maar waarom zou ik er iets om geven?

In een wereld waarin bacteriën in een exponentieel en verontrustend tempo resistent worden tegen antibiotica, zijn nieuwe methodes, en zelfs nieuwe ideeën om deze bacteriën te bestrijden, van het grootste belang. Ikzelf ben jaren geleden besmet geraakt met een meervoudig resistente vorm van Streptococcus pyogenes. Ik kreeg drie antibiotica en werd niet beter. De artsen moesten de infectie behandelen met Vancomycine – een van de laatste redmiddelen. Dat is nu 6 jaar geleden, en de ziekteverwekkers passen zich nog altijd verder aan antibiotica aan. Binnenkort zullen deze “wondermedicijnen”, zoals ze ooit genoemd werden, niet langer effectief zijn. Het gebruik van computers om nieuwe eiwitten te ontwerpen, of bestaande te wijzigen, in de strijd tegen menselijke ziekteverwekkers is dus een nieuw instrument in onze gereedschapskist. Captain Picard zei ooit iets zoals:

We moeten doortastend zijn bij het zoeken naar nieuwe wegen om antibioticaresistentie in deze vreemde nieuwe wereld te bestrijden.

Link to the original post: Chelsey M. VanDrisse, Rosalie Lipsh-Sokolik, Olga Khersonsky, Sarel J. Fleishman, Dianne K. Newman, Computationally designed pyocyanin demethylase acts synergistically with tobramycin to kill recalcitrant Pseudomonas aeruginosa biofilms, PNAS 2021


Vertaald door: Charlotte van de Velde

References:

1. Fleming, A. 1944. The Discovery of Penicillin. British Medical Bulletin, 2: 4-5.

2. Myers, W.F., Grossman, D.M., and Wisseman, C.L. 1984. Antibiotic susceptibility patterns in Rochalimaea quintana, the agent of trench fever. Antimicrobial agents and Chemotherapy. 25: 690-693.

3. Rossi, E., et al. 2021. Pseudomonas aeruginosa adaptation and evolution in patients with cystic fibrosis. Nature reviews microbiology. 19: 331-342.

4. Vilaplana, L., and Marco, M.P. 2020. Phenazines as potential biomarkers of Pseudomonas aeruginosa infections: synthesis regulation, pathogenesis and analytical methods for their detection. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 412: 5897-5912.

5. VanDrisse, C.M., Lipsh-Sokolik, R., Khersonsky, O., Fleishman, S.J., and Newman, D.K. 2021. Computationally designed pyocyanin demethylase acts synergistically with tobramycin to kill recalcitrant Pseudomonas aeruginosa biofilms. Proceedings of the National Academy of Science. 118: e2022012118.

6. Kazmirchuk, T., et al. 2017. Designing anti-Zika virus peptides derived from predicted human-Zika virus protein-protein interactions. Computational biology and chemistry. 71: 180-187.

7. O’Brien, S., and Fothergill, J.L. 2017. The role of multispecies social interactions in shaping Pseudomonas aeruginosa pathogenicity in the cystic fibrosis lung. FEMS Microbiology Letters. 364: 1-10.

Featured image: The big model of the USS Enterprise, NCC-1701-D, hanging at the Star Trek Experience in the Hilton Hotel, Las Vegas, Nevada, by David Grant under https://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.0/