Micro-organismen spelen een cruciale rol in onze gezondheid, vaker positief dan negatief. Een goede darmflora is bijvoorbeeld essentieel voor de vertering van voedsel en voor de algehele gezondheid. Vooral de dikke darm zit vol met verschillende bacteriën; tot wel duizend soorten.

Een volwassen persoon draagt normaliter tussen de één en drie kilo bacteriën met zich mee. Een bacterie is veel kleiner dan een menselijke cel en daardoor bevat ons lichaam ongeveer tien keer meer bacteriële cellen (10¹⁴) dan menselijke cellen (10¹³). Deze bacteriën vervullen een aantal essentiële functies, waaronder productie van foliumzuur (vitamine B9) en biotine (vitamine H).

Tegelijk kunnen micro-organismen ook een bedreiging vormen voor de gezondheid door het veroorzaken van kleine en grote problemen; van lokale ontstekingen tot tuberculose, tetanus, pest, voedselvergiftiging of longontsteking. Een aantal bacteriën scheidt ook gifstoffen (toxinen) uit die een directe impact hebben op het menselijk lichaam. Zo scheidt Vibrio cholerae het choleratoxine uit. Dit toxine zorgt voor diarree en ernstig uitdroging.

Een van de meest dodelijke toxines voor mensen wordt uitgescheiden door Clostridium botulinum. Dit botulinetoxine, tegenwoordig bekend als ‘botox’, breekt een eiwit af dat essentieel is voor de communicatie tussen zenuwcellen. Het zorgt daarmee voor een vorm van verlamming: botulisme. Interessant genoeg wordt die verlamming tegenwoordig plaatselijk bewust opgewekt door botox in lage doses in te spuiten in de rimpels van een verouderende huid.

Productie van het eerste antibioticum

Wanneer het menselijk afweersysteem niet voldoende effectief is bij het bestrijden van schadelijke bacteriële infecties kan sinds 1928 de hulp worden ingeroepen van antibiotica. In dat jaar werd het eerste antibioticum, penicilline, ontdekt door de Britse arts en microbioloog Alexander Fleming. Het viel hem – bij toeval – op dat op een petrischaal met Stapylococcus bacteriën, die per ongeluk open was blijven staan, een schimmel was gaan groeien. Rondom deze schimmel, later geïdentificeerd als Penicillium chrysogenum, was een kring ontstaan waarin geen bacteriën groeiden. Fleming concludeerde hieruit dat de schimmel een stof uitscheidt die de bacteriegroei remt. Het onbekende molecuul werd penicilline genoemd. Later bleek dat dit penicilline een enzym remt dat betrokken is bij de aanmaak van de celwand van veel bacteriën. Omdat dierlijke cellen geen celwand hebben, heeft penicilline ook geen negatief effect op menselijke cellen.

Niet lang na de ontdekking van de antibacteriële werking van penicilline, werd het middel ingezet als medicijn om bacteriële infecties te bestrijden. Een probleem daarbij was dat een kweek van Penicillium chrysogenum slecht zeer kleine hoeveelheden penicilline produceert, soms nauwelijks genoeg voor behandeling van één enkele patiënt. Door optimalisatie van het productieproces lukte het toch om miljoenen doses te produceren, op tijd voor de behandeling van de gewonden die vielen bij de invasie van Normandië tijdens de Tweede Wereldoorlog.

Optimalisatie door middel van klassieke biotechnologie

De schimmel Penicillium chrysogenum produceert van nature slechts kleine hoeveelheden penicilline. Verhoging van de productie van penicilline werd in eerste instantie bereikt door willekeurige veranderingen aan te brengen in het DNA van de schimmel, bijvoorbeeld door blootstelling aan ultraviolet licht of chemicaliën. De meeste veranderingen op DNA-niveau hebben geen effect op de productie van penicilline, maar een klein deel van de mutaties zal de productie verhogen. Door zeer grote aantallen van zulke mutanten te testen, werden verbeterde stammen geïdentificeerd en gebruikt voor de volgende ronden van mutaties en testen.

In een periode van meer dan vijftig jaar is, onder andere door de Nederlandse bedrijven Gist Brocades en DSM, op deze manier de productie van penicilline meer dan duizendvoudig verhoogd. Daarnaast werd ook de vorm van de cellen veranderd, waardoor ze makkelijker in een vloeibaar groeimedium werden te kweken. Tot op de dag van vandaag worden deze stammen gebruikt voor industriële productie van penicilline. Deze aanpak van zogenoemde mutagenese en vervolgens testen, en de bijbehorende gestage vooruitgang is karakteristiek voor de ‘klassieke’ biotechnologie.

Met behulp van nieuwe biologische analysetechnieken, zoals het snel en goedkoop kunnen ‘lezen’ van de DNA-volgorde van micro-organismen, weten we nu welke veranderingen in het DNA van Penicillium chrysogenum hebben plaatsgevonden tijdens de klassieke stamverbetering. Uit deze analyses blijkt dat in de geselecteerde stammen meerdere kopieën, tot wel vijftig, van de genen voor penicillinevorming aanwezig zijn. Daarnaast blijkt de regulatie van deze genen veranderd, wat resulteert in een nog hogere expressie van alle genen en eiwitten voor penicillinevorming, dus meer productie per gen. Ook blijkt de centrale stofwisseling van P. chrysogenum veranderd, waardoor er meer toevoer is van de bouwstoffen voor penicillinevorming.

Resistente bacteriën

De effectiviteit van antibiotica wordt doorgaans snel verminderd door resistentie van de te bestrijden bacteriën. Bacteriën wisselen onderling regelmatig stukken DNA uit via zogenoemde ‘horizontale genentransfer’. Zo ook de genen die coderen voor antibioticumresistentie. In het geval van penicillineresistentie hebben bacteriën een stuk DNA opgenomen dat codeert voor een enzym dat de karakteristieke β-lactamring van penicilline openbreekt. Daardoor is penicilline niet meer effectief in het remmen van bacteriële groei en dus ook niet in het behandelen van infecties.

Bij penicillineresistentie kunnen alternatieve antibiotica met een ander werkingsmechanisme worden gebruikt, zoals het remmen van de bacteriële eiwitsynthese (door aminoglycosiden en macroliden), het remmen van bacteriële DNA-synthese (door chinolonen) of het destabiliseren van de bacteriële celwand (door bijvoorbeeld vancomycine). Maar ook tegen deze alternatieve antibiotica kan weer resistentie optreden. Nu eens verandert de bacterie het aangrijpingspunt van het antibioticum, dan weer gebruikt de bacterie ineens een ander type stofwisseling dat niet gevoelig is voor het antibioticum. Soms wordt het antibioticum ook actief door de bacterie de cel uitgewerkt.

De laatste jaren worden er steeds meer gevallen beschreven van micro-organismen die resistent zijn tegen alle bekende antibiotica. De multi-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) bacterie is zo’n gevreesde bacterie. Multiresistente bacteriën vormen een grote bedreiging voor de gezondheidszorg omdat infecties van deze bacteriën nauwelijks nog kunnen worden bestreden.

Synthetische oplossingen voor resistentie

Het subtiel veranderen van de moleculaire structuur van antibiotica kan hun effectiviteit tegen (resistente) bacteriën soms weer verhogen. Vervanging van de benzyl-groep van penicilline-G door andere zijketens resulteert bijvoorbeeld in andere antibiotica, zoals ampicilline en amoxycilline. Die hebben weer een eigen effectiviteit. En vervolgens weer eigen resistentieproblemen.

De zijketens van antibiotica kunnen onder andere met behulp van chemische reacties worden gewijzigd. Die methode is relatief duur en resulteert ook in ‘chemisch afval’. Veel eleganter lijkt het dan ook om het micro-organisme dat antibiotica produceert te modificeren met behulp van synthetische biologie. Zo is al een penicillineproducerende Penicillium chrysogenum stam ‘omgebouwd’ tot een cephalosporineproducent. Daarvoor werden twee genen geïntroduceerd uit de bacterie die verantwoordelijk is voor de productie van cephalosporine. Op deze manier wordt gebruik gemaakt van de bekende capaciteit van Penicillium chrysogenum om op grote schaal antibiotica te produceren, in plaats van het ontwikkelen van een compleet nieuw productieproces gebaseerd op andere micro-organismen.

Voor de ontwikkeling en optimalisatie van producerende micro-organismen zijn doorgaans meerdere ronden van genetische modificatie nodig. Het is immers moeilijk te voorspellen welke ingrepen nodig zijn om optimale productie te bereiken. Schimmels zoals Penicillium chrysogenum zijn echter niet eenvoudig genetisch te modificeren, wat de snelheid van vooruitgang beperkt. De introductie van de genen die verantwoordelijk zijn voor antibioticavorming in een genetisch eenvoudig toegankelijke bacterie of gist biedt dan ook een eenvoudig en aantrekkelijk alternatief.

In 2009 is het Groningse wetenschappers gelukt om de gist Hansenula polymorpha via synthetische biologie te ‘herprogrammeren’ om penicilline te produceren. Ze introduceerden daarvoor de genen uit Penicillium chrysogenum in de gist. Het werd een belangrijk proof of principle. De vorming van penicilline bleek vergelijkbaar met de originele geïsoleerde Penicillium chrysogenum. Verdere optimalisatie is nog vereist voordat allerhande alternatieve antibiotica op grote schaal kunnen worden geproduceerd.

Sneller en gerichter antibiotica ontwerpen

Terwijl de ‘klassieke’ optimalisatie van penicillineproductie, via mutagenese en testen, vele tientallen jaren duurde, biedt synthetische biologie nu de mogelijkheid om in enkele jaren de productie tot een veelvoud te verhogen via gerichte genetische modificatie. Gebaseerd op de kennis van verbeterde penicillineproductie in P. chrysogenum, kunnen we gisten en bacteriën nu relatief eenvoudig ‘herprogrammeren’ tot penicillineproducenten, bijvoorbeeld door introductie van meerdere kopieën van de genen voor penicillinevorming, uitschakeling van reacties die leiden tot bijproducten, en aanpassing van de centrale stofwisseling om meer aanvoer van bouwstenen te ondersteunen.

Vooral de mogelijkheid om meerdere genen via automatisering tegelijk en in verschillende combinaties aan te passen heeft de ontwikkeling en optimalisatie van zulke gemodificeerde micro-organismen aanzienlijk versneld. Daarnaast kunnen deze micro-organismen steeds eenvoudiger worden ‘omgebouwd’ voor de productie van alternatieve antibiotica, door de genen voor penicillineproductie te verwijderen en genen voor productie van een ander antibioticum te introduceren. Op deze manier draagt synthetische biologie bij aan versnelde ontwikkeling van alternatieve antibiotica die zeer belangrijk zijn om de bacteriën vóór te blijven in de wedloop.