Van druppeltjes in de vriezer tot het begin van een krachtig nieuw antibioticum
Wat begon als een idee tijdens een borrel, leidde tot een onverwachte doorbraak in het onderzoek naar resistente bacteriën. Leidse biologen en chemici ontwikkelden een nieuwe stof die goed blijkt te werken tegen bacteriën die resistent zijn tegen antibiotica. Ze publiceerden hun vinding in Nature Chemistry.
Binnen het Leids Instituut voor de Chemie maken onderzoekers veel verschillende moleculaire verbindingen. Hoogleraar Moleculaire fysiologie Mario van der Stelt: ‘We bewaren altijd een paar milligram van onze eindverbindingen in een vriezer, voor het geval dat iemand onze stoffen wil hergebruiken voor hun onderzoek.’ Zo’n stoffenbibliotheek is een prachtige vorm van Open Science, vindt hij. ‘Tijdens een borrel bedachten Nathaniel Martin en ik dat we die verbindingen ook weleens konden testen op lastig te bestrijden ziekteverwekkende bacteriën.’
Eerst old school, toen met moderne technieken
Twee promovendi, Ioli Kotsogianni en Alexander Bakker, werkten nauw samen en testten de stoffenbibliotheek op onder andere E. coli. En bingo! Er bleek een stof te zijn die bij acceptabele concentratie veel bacteriën doodde. Na deze old school-test, kwamen de moderne technieken uit de kast, vertelt hoogleraar Biologische chemie Nathaniel Martin, die met zijn groep bij het Instituut voor Biologie Leiden veel onderzoek doet naar nieuwe antibacteriële stoffen tegen resistente bacteriën. ‘Samen met de groep van onze collega Gilles van Wezel (hoogleraar Moleculaire biotechnologie, red.) sequenceten we het complete genoom van bacteriën die wel en niet resistent waren tegen de stof die wij hadden gevonden. Zo kwamen we erachter waar het molecuul de bacterie aanviel.’
Het genetische verschil tussen de bacteriën die gevoelig of juist ongevoelig voor de nieuwe stof waren, liet zien waar de nieuwe stof de bacterie aanviel. Martin: ‘De bacteriën die tegen de stof bestand waren, hadden bijna allemaal een aantal mutaties in het gen dat codeert voor het onmisbare eiwit gyrase.’ Gyrase zorgt in dit type bacteriën dat het DNA losser of strakker oprolt, om de celdeling mogelijk te maken. De ontdekte werkzame stof maakte dus het gyrase-eiwit onklaar, waardoor bacteriën zich niet konden delen.
Een teleurstellende ontdekking
Dit was voor de onderzoekers in eerste instantie een teleurstellende ontdekking, vertelt Van der Stelt. ‘Gyrase is namelijk een eiwit waarop een klasse bestaande, veel gebruikte antibiotica de bacterie aanvallen. We dachten dus even dat we geen nieuwe aanvalsmethode in handen hadden, maar alleen een stof die hetzelfde doet als bestaande middelen, wat steeds vaker niet meer lukt.’
De onderzoekers gaven het niet op. Ze stuurden hun nieuwe verbinding naar het Norwich Centre for Microbiology in het VK, waar collega’s op molecuulniveau kunnen zien hoe de stof aan een eiwit bindt. In diep bevroren toestand, met speciale cryo-elektronenmicroscopie. Zo werd duidelijk dat het nieuwe antibioticum uit Leiden het eiwit gyrase op een andere plek aan gyrase bindt dan bestaande antibiotica.
Dat was de doorbraak
In het lab van Van der Stelt werkten masterstudenten aan de verbetering van het gevonden antibioticum. ‘De eerste student, Diana Piermarini, maakte wel tachtig, negentig varianten zonder dat er iets verbeterde. Daarna wilden we nog één ding proberen om het molecuul wat meer rigide te maken. Dat deed een nieuwe student, Jeroen Punt, die nu aio is bij ons. Dat was de doorbraak.’ De onderzoekers noemden hun stof LEI-800, naar de ‘geboorteplaats’ Leiden. Met het Technology Transfer Office van de Universiteit vroegen ze patent aan.
Van der Stelt verwacht niet dat precies deze verbinding LEI-800 uiteindelijk als nieuw antibioticum op de markt komt. ‘Het molecuul bindt krachtig aan het eiwit gyrase, maar muizen blijken het erg snel af te breken en ook komt het niet zo gemakkelijk de bacterie-cel in.’ De ontdekte stof liet vooral een belangrijk nieuw aanknopingspunt zien in de strijd tegen resistente bacteriën. De kans is groot dat een farmaceutisch bedrijf zelf op zoek gaat naar een ander molecuul dat gyrase op dit punt aangrijpt en geschikter is als medicijn dan LEI-800, volgens Van der Stelt. ‘Het zou zonde zijn als dat niet gebeurt.’
De kracht zit in de combinatie
Martin denkt dat zo’n nieuw medicijn vooral effectief zal zijn in combinatie met een bestaand antibioticum. ‘Voor het bestaande antibioticum dat aangrijpt op gyrase, ciprofloxacine, heeft de bacterie maar één bepaalde mutatie nodig om resistent te worden. De kans dat dat toevallig gebeurt, is best groot.’ Om resistent te worden tegen een LEI-800-achtige stof, heeft de bacterie een andere, maar net zo’n kleine mutatie nodig. ‘De kans dat een bacterie precies deze twee genmutaties krijgt en zo voor beide stoffen resistent wordt, is extreem klein.’
De beide onderzoekers benadrukken dat hun ontdekking te danken is aan uitzonderlijk goede samenwerking van verschillende afdelingen binnen het Leiden Early Drug Discovery & Development (LED3). Hier werken Leidse biologen, chemici en medicijnonderzoekers aan nieuwe oplossingen voor hart- en vaatziekten, kanker, hersenaandoeningen en infectieziekten.
Lees het volledige artikel in Nature Chemistry.
Ook tegen MRSA-bacteriën
Eind 2022 publiceerden de LED3-wetenschappers een vergelijkbare ontdekking over MRSA-bacteriën:
Chemical Proteomics Reveals Antibiotic Targets of Oxadiazolones in MRSA. Dit onderzoek begon met dezelfde stoffenbibliotheek als het nu gepubliceerde werk.
Tekst: Rianne Lindhout