Microbiologie in hapklare porties
Antarctische schimmels kunnen leukemie helpen bestrijden
Er zijn maar weinig soorten die de extreme omgevingen van Antarctica overleven. De vriestemperaturen zijn slechts het topje van de ijsberg; al het leven dat probeert een bestaan op Antarctica op te bouwen, heeft te maken met waterschaarste, weinig licht, harde wind en intense ultraviolette straling. Voor het kleine aantal soorten dat zich daar wel een plaatsje weet te veroveren, is aanpassing het sleutelwoord – en dit geldt ook voor het leven op microscopisch niveau.
Microben die goed gedijen in de extreme omstandigheden van Antarctica zijn van groot belang voor onderzoekers omdat ze mogelijk nieuwe biochemische routes hebben ontwikkeld om te overleven. Deze routes zouden biomedisch of biotechnologisch relevante verbindingen kunnen synthetiseren, zowel bekende als onbekende.
Een recent artikel onderstreept het belang van het onderzoeken van dit onderbelichte microbiële ecosysteem. Uit de wortelsystemen van Antarctische mossen identificeerden onderzoekers verschillende kandidaten van schimmelmicroben die in staat zijn om een cruciaal enzym tegen leukemie te produceren, in afwezigheid van 2 factoren die vaak geassocieerd worden met bijwerkingen tijdens behandelingen.
Wat is acute lymfoblastaire leukemie?
Acute Lymfoblastische Leukemie, ook wel Acute Lymfocytaire Leukemie (ALL) genoemd, is de meest voorkomende vorm van kanker bij kinderen en vertegenwoordigt 25% van de diagnoses bij patiënten onder de 15 jaar. Om de term uit te leggen: “Acuut” verwijst naar het feit dat de ziekte snel voortschrijdt, terwijl “lymfoblastisch” het celtype beschrijft waar de kanker zich op richt: witte bloedcellen die lymfocyten worden genoemd. ALL vervangt gezonde lymfocyten door onvolgroeide die infecties niet goed kunnen bestrijden. Deze cellen circuleren in de bloedbaan, groeien en delen zich in verschillende weefsels en organen en veroorzaken een scala aan symptomen.
Hoe cavia’s ALL patiënten nieuwe hoop gaven
De eerste eeuw na de eerste beschrijving van de ziekte was ALL grotendeels dodelijk; halverwege de twintigste eeuw kwam echter de komst van chemotherapie en daarmee betere vooruitzichten voor ALL-patiënten. In 1963 werd in een artikel ontdekt dat het enzym L-asparaginase, geïsoleerd uit serum van cavia’s, de groei van lymfoomcellen remde. Enzymen zijn biologische katalysatoren, meestal eiwitten maar soms ook RNA, die biochemische reacties in cellen versnellen en herhaaldelijk gebruikt kunnen worden.
L-asparaginase hydrolyseert (breekt af met behulp van watermoleculen) asparagine in twee andere verbindingen, ammoniak en asparaginezuur. Dit is biologisch belangrijk omdat asparagine een aminozuur is, een van de bouwstenen van eiwitten. Wanneer een cel langdurig verstoken is van asparagine, kan dit leiden tot celdood. Niet-kankercellen kunnen hun eigen asparagine maken, maar ALLE kankercellen kunnen dat niet en moeten het uit externe bronnen halen. Daarom doden L-asparaginase behandelingen selectief kankercellen in ALL patiënten, want als hun asparaginevoorraden uitgeput zijn, kunnen ze niet meer aanmaken. Opname van L-asparaginase in de behandeling van ALL verbetert de resultaten voor patiënten aanzienlijk.
Het addertje onder het gras (natuurlijk is er een addertje onder het gras)
De L-asparaginase die wordt gebruikt om ALL te behandelen wordt “gekweekt” uit prokaryotische organismen, met name Escherichia coli en Erwinia chrysanthemi. L-asparaginase dat in deze organismen wordt gemaakt, bevat echter vaak nog twee andere enzymen: L-glutaminase en urease, waarvan de aanwezigheid kan leiden tot ernstige bijwerkingen die moeilijk en duur zijn om eruit te filteren. Een belangrijk onderzoeksgebied op het gebied van ALL is nu gericht op het vinden van microben die alleen L-asparaginase produceren, zonder deze andere factoren.
De Andrade et al., 2023 waren niet de eersten die op Antarctica zochten naar schimmelproducenten van L-glutaminase- en urease-vrij L-asparaginase – dat was een andere onderzoeksgroep, in 2019. De Andrade et al., 2023 is echter de grootschaligste – en pas de tweede tot nu toe – die de microben van de regio voor dit doel onderzocht, en was in staat om drie nieuwe kandidaten (!) voor de productie van dit cruciale enzym te identificeren.
Experimenten en bevindingen
In 2019 en 2020 verzamelden wetenschappers aan boord van het onderzoeksschip Brazilian Antarctic Operation XXXVIII monsters van twee soorten mossen, Polytrichastrum alpinum en Sanionia uncinata, op twee locaties op het Keller Peninsula van King George Island op Antarctica (fig. 1). Geselecteerde gezonde monsters werden onderzocht op de isolatie van endofytische schimmels. Endofyten zijn microben die plantenweefsel koloniseren zonder de gastheer te schaden.
504 mosmonsters werden vervoerd naar het laboratorium aan boord van het Braziliaanse Poolschip Almirante Maximiano, waar ze werden gedesinfecteerd, gefragmenteerd en gekweekt op petrischalen. Naarmate de verschillende schimmelkolonies groeiden, werden ze verder geïsoleerd, gezuiverd en geïdentificeerd. De eerste identificatie was gebaseerd op morfologie – oftewel, fysieke kenmerken zoals koloniegrootte, textuur en vorm (Fig. 2). In totaal werden 161 schimmels geïsoleerd, die vervolgens werden ingedeeld in 31 verschillende morfotypen.
Onderzoekers zochten naar schimmels die L-asparaginase, glutaminase en urease produceerden in een vast medium. Terwijl sommige geen enzymproductie vertoonden, maakten andere L-asparaginase in combinatie met één of beide andere. Opwindend genoeg produceerden 13 morphotypes alleen L-asparaginase, hoewel slechts 8 hiervan een “robuuste” productie lieten zien (Fig. 3). Deze werden vervolgens getest op het vermogen om het enzym in vloeibaar medium te produceren.
Ten slotte werd de enzymproductie van de isolaten geoptimaliseerd via de Taguchi-methode om de meest optimale combinatie van temperatuur, pH, L-asparagineconcentratie en glucoseconcentratie te identificeren om hoge niveaus van L-asparagine te verkrijgen. asparaginase – wat 30 C bleek te zijn, pH 7, 11 g/l L-asparaginase en 1 g/l glucose. Temperatuur was het meest invloedrijke aspect van de groeiomgeving op de productie van L-asparaginase.
Voor de drie beste schimmelproducenten van L-asparaginase was verdere identificatie op genetisch niveau aan de orde, en DNA-sequencing identificeerde de isolaten als Epicoccum nigrum, Collariella virescens en Peroneutypa scoparia. Alle drie de schimmels produceerden L-asparaginase zonder glutaminase of urease, waardoor ze levensvatbare kandidaten werden als potentiële nieuwe bronnen voor de biosynthese van dit cruciale anti-Leukemie-enzym. Bovendien vertoonden ze allemaal een opmerkelijke verhoging van de enzymproductie onder de door de Taguchi-methode geoptimaliseerde omstandigheden, wat aantoont dat de opbrengsten effectief kunnen worden opgeschaald.
Tot slot
Vooruitgang in de wetenschap vereist een combinatie van innovatie met rigoureuze herhaling. Het belang van dit laatste wordt wellicht te vaak over het hoofd gezien op het niveau van publicaties, waardoor de nieuwigheid van onderzoek zwaar wordt benadrukt. Dit kan onderzoekers ertoe aanzetten innovatieve en baanbrekende ontdekkingen te doen, maar kan ook voorkomen dat fouten en onnauwkeurigheden aan het licht komen – lees voor een konijnenhol bijvoorbeeld over deze recente verstoring op het gebied van de ziekte van Alzheimer.
Hoewel een andere onderzoeksgroep in 2019 voor het eerst publiceerde over de ontdekking van schimmel-endofyten op Antarctica die L-asparaginase kunnen produceren zonder glutaminase of urease, is dit huidige onderzoek om twee redenen een cruciale opstap in het veld: 1) de resultaten ondersteunen en valideren die van de vorige studie; en 2), ontdekte het aanvullende, nieuwe schimmels die alleen dit anti-Leukemie-enzym konden produceren. Dit soort resultaten betekent niet dat we aan het einde van de wereld stoppen met zoeken naar verdere opties voor kankertherapieën in de wortelsystemen van mos. Precies het tegenovergestelde: deze studie betekent dat we absoluut moeten blijven zoeken, omdat er iets echts is – een echte kans op hoop, dat te midden van het ijs, de straling en de duisternis microscopisch leven schuilt met overlevingsgeheimen die ons op onontdekte manieren kunnen helpen.
Takeaways
Progress, in science, requires a combination of innovation with rigorous repetition. The importance of the latter is arguably too often overlooked at the publication level, which places heavy weight upon the novelty of research. This can push researchers towards innovative and groundbreaking discoveries, but can also prevent errors and inaccuracies from being uncovered – for a rabbit hole of an example, read about this recent upset in the Alzheimer’s field.
Though another research group in 2019 first published on the discovery of fungal endophytes in Antarctica capable of producing L-asparaginase without glutaminase or urease, this current study is a crucial stepping stone in the field for two reasons: 1), its results support and validate those of the previous study; and 2), it discovered additional, novel fungi capable of producing this anti-Leukemia enzyme alone.
This kind of result doesn’t mean we stop looking for further options for cancer therapies in the root systems of moss at the end of the world. Precisely the opposite: this study means we should absolutely keep looking, because something real is out there – a real opportunity for hope, that amid the ice and radiation and darkness, lies microscopic life with survival secrets that could help us in undiscovered ways.
Featured image: de Andrade et al., 2023.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 