Informatie

Hoe doden wetenschappers de bacteriën die ze zelf resistent hebben gemaakt?


Ik las dit artikel over onderzoek naar de resistentie van bacteriën tegen zilver door enkele van hun genen te verwijderen.

Onderzoekers gebruikten vervolgens "kolonie-scorende" software om de verschillen in groei en grootte van de bacteriekolonie van elke plaat te meten. E. coli-stammen waarvan genen zijn verwijderd die betrokken waren bij het produceren van gevoeligheid of toxiciteit voor zilver, groeiden grotere kolonies. Stammen waarvan genen zijn verwijderd die betrokken zijn bij resistentie, groeiden in kleinere kolonies.

Als je eenmaal resistente bacteriën hebt en je bent klaar met het onderzoeken ervan, kun je het niet zomaar door het toilet spoelen. Hoe gooi je die veilig weg? kolonie platen op een manier die ervoor zorgt dat die bacteriën niet in het wild terechtkomen en zich voortplanten?


Je hebt helemaal gelijk, door het toilet (of de gootsteen) spoelen of ze gewoon bij het normale afval gooien, werkt om bioveiligheidsredenen niet. En het is ook niet toegestaan, afhankelijk van het land waar je dit zou doen, kan dit leiden tot forse boetes.

Biologisch besmet laboratoriumafval kan op twee manieren worden geïnactiveerd (=alle potentieel gevaarlijke organismen worden vernietigd): ofwel door hitte of chemisch. Welke manieren worden gebruikt, hangt af van het soort afval.

De meest gebruikte manier is autoclaveren, wat inhoudt dat het afval wordt behandeld met stoom bij hoge temperaturen en onder hogere druk. De temperatuur die hier wordt gebruikt is meestal 121°C, de blootstellingstijd is afhankelijk van het volume van het afval, aangezien de temperatuur minimaal 20 minuten moet worden bereikt en bewaard. Zie de referenties voor meer details.

Vloeibare afvalstoffen (zoals kweekmedia) kunnen ook chemisch worden geïnactiveerd door chloorbleekmiddel toe te voegen om de cellen te ontleden. Bleekmiddel kan ook worden gebruikt om oppervlakken te ontsmetten, hoewel hier vaker alcoholische oplossingen (70% ethanol of isopropanol) worden gebruikt. Na chemische inactivatie mogen de resterende oplossingen niet worden geautoclaveerd, aangezien de vrijkomende dampen ofwel ongezond (bleekmiddel) of explosief (alcoholische oplossingen) zijn en dit is ook niet nodig. Vloeibare afvalstoffen kunnen ook worden geautoclaveerd om ze te inactiveren.

Autoclaveren heeft als grote voordeel dat het vrij eenvoudig is (het afval in de autoclaaf doen, sluiten en een passend programma laten draaien), het afval kan daarna gewoon als normaal afval worden weggegooid, wat bij chemisch geïnactiveerd afval wellicht niet het geval is, mogelijk speciale voorzorgsmaatregelen nodig voor verwijdering.

Referenties:

  1. Decontaminatie en sterilisatie
  2. Decontaminatie van microbiologisch laboratoriumafval door stoomsterilisatie.
  3. TECHNIEKEN VOOR HET STERILISEREN VAN LABORATORIUMAFVAL MET STOOM
  4. Decontaminatie van microbiologisch laboratoriumafval door stoomsterilisatie

Om iets te doen aan wat de misvatting lijkt te zijn die aan uw vraag ten grondslag ligt:

Het doden van pathogene bacteriën is niet moeilijk; ze doden zonder hun (meestal menselijke) gastheer te schaden. Dit is de reden waarom antibiotica zo kostbaar zijn: het zijn medicijnen die de enkel en alleen bacteriën¹ - door gebruik te maken van eigenschappen die uniek zijn voor hen. Het is meestal resistentie tegen antibiotica waar we bij bacteriën om geven, omdat het infecties met dergelijke bacteriën moeilijker of zelfs onmogelijk te behandelen maakt.

Zodra we bacteriën in vitro onderzoeken, bijvoorbeeld in een petrischaal, is er geen gastheer die hoeft te overleven en hebben we dus veel meer opties om ze te doden. De andere antwoorden hebben tal van methoden opgesomd om dit te doen - die ook allemaal dodelijk zijn voor de mens.


¹ Dit is natuurlijk enigszins vereenvoudigd: elk medicijn heeft een bijwerking, en antibiotica ook. Maar hun bijwerkingen op mensen zijn milder dan hun primaire effect op bacteriën.


Weerstand is... omkeerbaar?

Hoewel mensen over het algemeen niet praten over bacteriën die antibioticaresistentie verliezen, gebeurt het wel, en om een ​​vrij voor de hand liggende reden: de biochemische hulpmiddelen die resistentie verlenen, hebben een metabolische/betrouwbaarheids-/efficiëntiekost, anders zouden de bacteriën de weerstand hebben gehad om te beginnen met. Over het algemeen kunnen we aannemen dat bacteriën niet bedreven zijn in het omgaan met zilvertoxiciteit, omdat zilver niet vaak genoeg voorkomt in hun favoriete omgevingen. Wanneer je de bacteriën uit een zilvergeconcentreerde omgeving haalt, is er geen druk meer om extra maatregelen te nemen om er mee om te gaan en kan de resistentie verloren gaan.

Een pond vlees

Er zijn veel manieren om microben aan te vallen, en nog meer manieren om te reageren. De CDC geeft een mooi overzicht van enkele strategieën.

Neem bijvoorbeeld fluoroquinolonen. Ze doden bacteriën door de enzymen te onderdrukken die het DNA afwikkelen. Zoals je je kunt voorstellen, zorgt dit voor een hele slechte dagTM voor de bacteriën. Als je een bacterie bent, en je krijgt wat ciproflaxine in je membraan, dan is het meest voor de hand liggende om er vanaf te komen. Sommige bacteriën, zoals P. aeruginosa, die resistent zijn tegen ciproflaxine, doen precies dat: ze bouwen pompen in hun membranen om het eruit te pompen. Maar zoals elke ingenieur u zal vertellen, kost het toevoegen van nieuwe pompen aan een systeem zowel ruimte als energie die voor andere dingen had kunnen worden gebruikt (zoals voedsel vinden, voortplanten, enz.), dus u zou dit niet doen tenzij u het absoluut moest doen. .

Hoe weten we dat ze daadwerkelijk weerstand verliezen? Nou, we hebben het zien gebeuren! We weten letterlijk welke mutaties en gentransfers nodig zijn om verschillende resistenties op te leveren P. aeruginosa, omdat wilde stammen zowel resistent als vatbaar zijn, afhankelijk van hun blootstelling aan antibiotica (of laboratoriumomstandigheden).

Grijze Goo

Wees blij dat de biologie de neiging heeft om de meest efficiënte oplossingen te vinden. Deze neiging tot minimalisering van energie kan worden gekarakteriseerd als een soort luiheid, maar het is echt een optimale strategie om je energie toe te wijzen waar het je de meeste waarde geeft. Voor een microbe zou dat voedsel vinden en zich voortplanten. Dat betekent dat zodra de in het laboratorium gekweekte freaks in het wild ontsnappen, welke superkrachten ze ook hebben verkregen uit onze gekke wetenschappelijke experimenten, na verloop van tijd waarschijnlijk verloren zullen gaan, zodra we stoppen ze te baden in mutagene gifstoffen.

In tegenstelling tot de verwilderde nanotechnologie, hebben we eigenlijk niet zo veel te vrezen van laboratorium-geïnduceerde antibioticaresistentie. Het is het verderfelijke en nonchalante gebruik van antibiotica in ons dagelijks leven dat ons uiteindelijk zal doden. Deze stromen door onze afvoeren en in onze beken en rivieren en evolueren die beestjes dag en nacht, vrijwel garanderend dat we resistente soorten in het wild zullen tegenkomen.


Bestand tegen WAT?

Wetenschappers hebben over het algemeen te maken met bacteriën die resistent zijn tegen een bepaalde concentratie van een bepaalde stof (of combinatie daarvan).

Die stammen zijn nog steeds vrij gevoelig voor veel andere stoffen (bijvoorbeeld ethanol 70%), hoge temperaturen (kokend water bij normale druk of hoger), enz. generieke manieren om bacteriën te doden.


Autoclaaf 30 minuten op 120 graden Celsius. [ref]

Spoel nooit biologisch materiaal, levende dieren of iets anders dan door de sanitaire code goedgekeurd afval door het toilet.

De juiste manier om gebruikt kweekmateriaal weg te gooien, is door het eerst te stereliseren en vervolgens in verzegelde zakken weg te gooien.

Na het tellen moeten petrischalen in een plastic autoclaafzak worden bewaard en geautoclaveerd voordat ze worden weggegooid. Plaats tijdens meerdaagse excursies gebruikte petrischalen in plastic autoclaafzakken en sluit de zakken voor transport naar kantoor. Plaats vervolgens, na het autoclaveren, de gesloten zakken met petrischalen in afvalcontainers of andere containers die mechanisch worden geleegd, om onbedoeld contact met mensen of dieren te voorkomen. Plaats nooit petrischalen in prullenbakken van motels of kantoren.


op een meer beperkt budget niveau, toen ik op een middelbare school werkte, haalde de technische laboratoriumtechnicus alle oude petrischalen uit een speciale afvalvriezer en bracht ze naar de kolengestookte ketel op de campus.

Omdat de ketel alleen in de winter draaide, moest er in de eerste koude dagen in de herfst veel worden weggegooid. Als zodanig heeft de wetenschappelijke afdeling veel van dit werk in de winter gepland. Werk met dissectie produceerde ook veel bioafval, maar dat was minder slecht en kon bij het gewone afval worden weggegooid (het waren de jaren 80, destijds niet veel recycling).

Toen het ovengedeelte van de ketel eenmaal op temperatuur was, werd het ding (op de een of andere manier) geblindeerd en ging het toegangsluik open. De bevroren plastic schalen werden erin gegooid, in papieren of plastic boodschappentassen voor gebruiksgemak, daarna werd het luik gesloten en de dempers geopend.

Wat betreft PBM, het was niet veel van een ding. Wegwerphandschoenen werden gedragen voor het hanteren van de borden, en ze gingen de oven in zodra de borden allemaal op waren.

Ik herinner me dat ik ooit in de oven keek toen het koud was, voordat de as werd uitgeharkt. Er was geen spoor van achtergebleven materiaal, zelfs metalen voorwerpen zoals nietjes of clips waren verdampt.

Kortom - Verbranding


Antibioticaresistentie: hoe doden antibiotica bacteriën?

Dit is een meerdelige serie over antibioticaresistentie bij bacteriën.

Uiteindelijk zullen we de manieren bereiken waarop bacteriën antibioticaresistentie ontwikkelen, maar voordat we daar zijn, zullen we zelf wat meer tijd besteden aan antibiotica.

Wat hebben we tot nu toe geleerd?

1. Antibiotica zijn natuurlijke producten, gemaakt door bacteriën en sommige schimmels. We hebben ook geleerd over het verschil tussen antibiotica en synthetische drugs. Er is niet altijd een duidelijk onderscheid omdat aan antibiotica chemische groepen kunnen worden toegevoegd, waardoor ze deels synthetisch en deels natuurlijk zijn.

2. Antibiotica zijn een chemisch diverse groep verbindingen. Antibiotica zijn geen DNA. Het zijn ook geen eiwitten, hoewel sommige antibiotica aminozuren bevatten, de bouwstenen van eiwitten. In zekere zin zijn antibiotica een soort luxe moleculen, omdat ze niet essentieel zijn voor het leven.

Bacteriën maken ze niet eens totdat de populatie een bepaalde dichtheid en groeifase bereikt. Hoewel we alle antibiotica met één woord kunnen beschrijven, is er geen enkele beschrijving die recht doet aan deze fascinerende verbindingen.

We kunnen antibiotica in klassen indelen, ofwel op basis van chemische overeenkomst - peptide-antibiotica bevatten allemaal aminozuren die bij elkaar worden gehouden door peptidebindingen, ß-lactams hebben allemaal een ß-lactamring - door de reeks organismen die ze kunnen doden - breedspectrumantibiotica doden een grote verscheidenheid van bacteriën, waar smalspectrumantibiotica meer specifieke doelen hebben of door de metabole route waarop ze zich richten.

Misschien is de gemakkelijkste manier om antibiotica te categoriseren door de organismen die ze produceren. Zelfs daar trotseren antibiotica gemakkelijke groeperingen. De meeste worden gemaakt door bewoners van het vuil, maar zowel schimmels als bacteriën komen in actie.

Maar wat doen antibiotica?
Hoe vervullen zij hun rol als agenten van oorlogsvoering? Ze doden bacteriën - maar hoe? Worden in een bacteriële populatie alle leden gedood? Helaas, nee, veel antibiotica werken door bacteriegroei te voorkomen. Dit betekent dat de meeste antibiotica alleen groeiende bacteriën doden.

Ze zorgen ervoor dat bacteriën niet groter worden?
Nee. Als we het hebben over dieren, planten of mensen die groeien, beschrijven we in feite individuele organismen die groter worden. Maar als we het hebben over bacteriegroei, bedoelen we de grootte van een bacteriepopulatie en niet alleen de grootte van een cel.

Om bacteriën te laten groeien, moeten ze alle onderdelen maken die nodig zijn voor het bouwen van nieuwe bacteriële cellen. DNA moet gekopieerd worden. Er moeten nieuw RNA, ribosomen en eiwitten worden gemaakt. Er moeten celwanden worden gebouwd. Membranen moeten worden gesynthetiseerd. En dan moeten de cellen zich natuurlijk delen. Veel, zo niet de meeste, antibiotica werken door het remmen van de gebeurtenissen die nodig zijn voor bacteriegroei. Sommige remmen DNA-replicatie, andere transcriptie, sommige antibiotica voorkomen dat bacteriën eiwitten maken, sommige voorkomen de synthese van celwanden, enzovoort. Over het algemeen zorgen antibiotica ervoor dat bacteriën de onderdelen die nodig zijn voor groei, niet opbouwen.

Er zijn enkele antibiotica die werken door plasmamembranen aan te vallen. De meeste antibiotica werken echter door bacteriepopulaties onder controle te houden totdat het immuunsysteem het kan overnemen. Dit brengt ons ook bij ons eerste mechanisme van antibioticaresistentie.

Doorzettingsvermogen is weerstand.

Als bacteriën moeten groeien om door antibiotica te worden gedood, dan kunnen bacteriën ontsnappen aan antibiotica, door NIET te groeien of door heel langzaam te groeien. Dit fenomeen is waargenomen bij biofilms (kolonies van bacteriën die op een oppervlak leven) (1), E coli bij urineweginfecties (2), en vooral bij de langzaam groeiende bacteriën die tuberculose veroorzaken, Mycobacterium tuberculosis, en lepra, Mycobacterium leprae (3).

Het lijkt grappig om dat te denken niet groeien kan een overlevingsmechanisme zijn. Maar als je een bacterie bent, en je kunt lang genoeg in een inactieve, niet-groeiende toestand rondhangen, zal je menselijke gastheer uiteindelijk stoppen met het nemen van antibiotica, zullen ze uit je omgeving verdwijnen en kun je weer gaan groeien.

1. PS Stewart 2002. "Mechanismen van antibioticaresistentie in bacteriële biofilms." Int J Med Microbiol. 292(2):107-13.

2. Trülzsch K, Hoffmann H, Keller C, Schubert S, Bader L, Heesemann J, Roggenkamp A. 2003. "Zeer resistente metabolisch deficiënte dwergmutant van Escherichia coli is de oorzaak van een chronische urineweginfectie." J Clin Microbiol. 41 (12): 5689-5694.

3. Gomez JE, McKinney JD. 2004. Tuberculose (Edinb). 84(1-2):29-44.


Andere artikelen in deze serie:
1. Een inleiding over antibioticaresistentie: een inleiding tot de kwestie van antibioticaresistentie.
2. Natuurlijke versus synthetische drugs: wat is het verschil tussen antibiotica en synthetische drugs?
3. Hoe doden antibiotica bacteriën? een algemene bespreking van de wegen waarop antibiotica kunnen werken en een kenmerk dat sommige bacteriën helpt te overleven.
4. Worden antibiotica echt alleen gemaakt door bacteriën en schimmels? Het hangt ervan af hoe je ze wilt noemen.
5. De vijf wegen naar antibioticaresistentie: een korte samenvatting


Pathogene bacteriën bijna onschadelijk gemaakt

Pseudomonas aeruginosa is een opportunistisch pathogene bacterie die aanwezig is in veel ecologische niches, zoals plantenwortels, stilstaand water of zelfs de leidingen van onze huizen. Van nature zeer veelzijdig, het kan acute en chronische infecties veroorzaken die mogelijk fataal zijn voor mensen met een verzwakt immuunsysteem. De aanwezigheid van P. aeruginosa in klinische omgevingen, waar het ademhalingstoestellen en katheters kan koloniseren, vormt een ernstige bedreiging. Bovendien maken het aanpassingsvermogen en de resistentie tegen veel antibiotica infecties door P. aeruginosa steeds moeilijker te behandelen. Er is daarom dringend behoefte aan de ontwikkeling van nieuwe antibacteriële middelen.

Wetenschappers van de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, hebben een voorheen onbekende regulator van genexpressie in deze bacterie geïdentificeerd, waarvan de afwezigheid de besmettelijke kracht van P. aeruginosa en het gevaarlijke karakter ervan. Deze resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Onderzoek naar nucleïnezuur, zou een innovatief doelwit kunnen zijn in de strijd tegen deze ziekteverwekker.

RNA-helicasen vervullen essentiële regulerende functies door verschillende RNA-moleculen te binden en af ​​​​te wikkelen om hun functies uit te voeren. RNA-helicases zijn aanwezig in de genomen van bijna alle bekende levende organismen, inclusief bacteriën, gisten, planten en mensen, maar ze hebben specifieke eigenschappen gekregen, afhankelijk van het organisme waarin ze worden aangetroffen. "Pseudomonas aeruginosa heeft een RNA-helicase waarvan de functie onbekend was, maar die werd gevonden in andere pathogenen", legt Martina Valentini uit, een onderzoeker die dit onderzoek leidt bij de afdeling Microbiologie en Moleculaire Geneeskunde van de UNIGE Faculteit Geneeskunde, en houder van een SNSF "Ambizione" -beurs "We wilden begrijpen wat zijn rol was, met name in relatie tot de pathogenese van de bacteriën en hun aanpassing aan de omgeving."

Een sterk verminderde virulentie

Om dit te doen, combineerde het team van Genève biochemische en moleculair genetische benaderingen om de functie van dit eiwit te bepalen. "In de afwezigheid van deze RNA-helicase, P. aeruginosa vermenigvuldigt zich normaal gesproken in vitro, zowel in een vloeibaar medium als op een halfvast medium bij 37°C", meldt Stéphane Hausmann, een onderzoeksmedewerker bij de afdeling Microbiologie en Moleculaire Geneeskunde aan de UNIGE Faculteit Geneeskunde en eerste auteur van deze studie. om te bepalen of het infectievermogen van de bacterie was aangetast, moesten we dat in vivo in een levend organisme waarnemen."

De wetenschappers zetten vervolgens hun onderzoek voort met behulp van Galleria mellonella-larven, een modelinsect voor het bestuderen van gastheer-pathogeen-interacties. Het aangeboren immuunsysteem van insecten vertoont inderdaad belangrijke overeenkomsten met dat van zoogdieren. Bovendien kunnen deze larven leven bij temperaturen tussen 5°C en 45°C, wat het mogelijk maakt om bacteriegroei bij verschillende temperaturen te bestuderen, ook die van het menselijk lichaam. Drie groepen larven werden waargenomen, de eerste, na injectie van een zoutoplossing, zag 100% van de populatie overleven. In aanwezigheid van een normale stam van P. aeruginosa, minder dan 20% overleefde 20 uur na infectie. In tegenstelling, wanneer? P. aeruginosa niet langer het RNA-helicase-gen bezat, bleef meer dan 90% van de larven in leven. "De gemodificeerde bacteriën werden bijna onschadelijk, maar bleven erg in leven", zegt Stéphane Hausmann.

Remmen zonder doden

De resultaten van dit werk tonen aan dat deze regulator de productie van verschillende virulentiefactoren in de bacteriën beïnvloedt. "In feite regelt dit eiwit de afbraak van talrijke boodschapper-RNA's die coderen voor virulentiefactoren", vat Martina Valentini samen. "Vanuit het oogpunt van antimicrobiële geneesmiddelenstrategie betekent het uitschakelen van de virulentiefactoren van de ziekteverwekker in plaats van te proberen de ziekteverwekker volledig te elimineren, dat het immuunsysteem van de gastheer de bacterie op natuurlijke wijze kan neutraliseren en mogelijk het risico op de ontwikkeling van resistentie vermindert. Inderdaad, als we proberen de bacteriën koste wat kost te doden, de bacteriën zullen zich aanpassen om te overleven, wat het verschijnen van resistente stammen bevordert."

Het Genève-team zet momenteel zijn werk voort door een reeks bekende medicijnmoleculen te screenen om te bepalen of een van hen het vermogen heeft om dit eiwit selectief te blokkeren, en om in detail de remmingsmechanismen te bestuderen waarop de ontwikkeling van een effectieve therapeutische strategie zou kunnen zijn gebaseerd.


Een 'plug-and-play' systeem

Nu, in hun meest recente onderzoek, heeft het team nog een laatste aanpassing gedaan aan hun E coli door genen te verwijderen die coderen voor twee specifieke tRNA-moleculen - de moleculen die de codons lezen en alle geschikte aminozuren verzamelen. Deze tRNA's zouden gewoonlijk TCG- en TCA-codons herkennen.Het team verwijderde ook genen voor een zogenaamde releasefactor die normaal gesproken het TAG-stopcodon herkent. Deze veranderingen maakten de nieuwe bacteriestam onkwetsbaar voor virussen, ontdekte het team.

Virusgenomen bevat TCG-, TCA- en TAG-codons, maar zonder het juiste tRNA en afgiftefactoren, stelt de ontwerper E coli kunnen deze virale genen niet lezen en kunnen daarom niet ten prooi vallen aan de ziekteverwekkers. "Als het virus infecteert, heeft het niet hetzelfde" genetische code als onze [aangepaste E coli] cellen, en dan kan het geen eigen maken eiwitten en het kan zich niet voortplanten," zei Robertson.

Maar nogmaals, het belangrijkste doel van de studie was om de vrijgekomen codons te herprogrammeren om nieuwe eiwitten te genereren. Om dit te doen, genereerde het team tRNA-moleculen die gepaard gingen met onnatuurlijke aminozuren van hun eigen ontwerp. Deze tRNA's waren geprogrammeerd om de TCG-, TCA- en TAG-codons te herkennen die nu ontbreken in de gemodificeerde E coli deformatie. Het team introduceerde de ontbrekende codons opnieuw door ze in kleine lussen van DNA te plaatsen, plasmiden genaamd, die in de bacterie kunnen worden ingebracht zonder het genoom ervan te veranderen.

De plasmiden, tRNA en onnatuurlijke aminozuren leverden alle blauwdrukken, gereedschappen en materialen die de cellen nodig hadden om designer-eiwitten voor de onderzoekers te bouwen. "Dus je kunt op een programmeerbare manier eiwitten in een cel maken, op basis van het DNA dat we aan de cel leveren, met 23 bouwstenen", in plaats van 20, zei Robertson. "Het is nogal een plug-and-play systeem."

Andere onderzoeksgroepen hebben in het verleden geprobeerd onnatuurlijke aminozuren in eiwitten te introduceren, maar deze strategieën waren niet erg efficiënt, schreven Chatterjee en Delilah Jewel, een afgestudeerde student in het laboratorium van Chatterjee, in een commentaar gepubliceerd in hetzelfde nummer van Science. Het laboratorium van Chatterjee heeft bijvoorbeeld met succes onnatuurlijke aminozuren gekoppeld aan de stopcodons in E coli, maar met deze methode konden ze deze onnatuurlijke aminozuren alleen op een enkele plaats in het uiteindelijke eiwit invoegen, rapporteerden ze in een onderzoek uit 2019 in de Tijdschrift van de American Chemical Society.

Nu, met de nieuwe methode, kunnen wetenschappers de grenzen gaan verleggen van welke eiwitten en polymeren ze kunnen bouwen, vertelde Chatterjee aan WordsSideKick.com. "Het is een beetje voor de verbeelding. Hoe zouden die aminozuren eruit kunnen zien?" hij zei. "Wat voor soort chemie zouden ze kunnen hebben, functionaliteiten zouden ze kunnen hebben, waar de natuur nooit toegang toe heeft gehad?"

Als we in de toekomst kijken, zouden wetenschappers mogelijk nog meer codons uit de E coli genoom, waardoor nog meer kanalen worden vrijgemaakt voor de constructie van designereiwitten, zei Robertson. Maar voor nu zijn drie open kanalen waarschijnlijk genoeg om mee te werken, zei hij. "Hebben we zeven open kanalen nodig? Of zijn drie open kanalen genoeg om echt uit te breiden wat we kunnen doen in termen van nieuwe toepassingen?" hij zei. "Het is goed om je nu alleen op de toepassingen te concentreren."


VraagNatuur

Levende systemen moeten soms, tijdelijk, op één plek blijven, klimmen of anderszins bewegen, of dingen bij elkaar houden. Dit houdt in dat je tijdelijk aanhebt met de mogelijkheid om los te laten, wat het energie- en materiaalgebruik minimaliseert. Sommige levende systemen hechten zich herhaaldelijk vast, los en weer vast voor een langere tijd, bijvoorbeeld gedurende hun hele leven. Ondanks dat ze tijdelijk zijn, moeten deze gehechtheden fysieke en andere krachten weerstaan ​​totdat ze hun doel hebben bereikt. Daarom hebben levende systemen aangepaste bevestigingsmechanismen die zijn geoptimaliseerd voor de hoeveelheid tijd of het aantal keren dat ze moeten worden gebruikt. Een voorbeeld is de gekko, die muren beklimt door zijn tenen minder dan een seconde vast te maken. Andere voorbeelden zijn insecten die hun eieren aan een blad hechten totdat ze uitkomen, en insecten waarvan de vleugels zich tijdelijk vasthechten tijdens de vlucht maar loskomen na de landing.

Bescherm tegen microben

In levende systemen spelen microben een belangrijke rol, zoals het afbreken van organisch materiaal en het in stand houden van de gezondheid van mensen en systemen. Maar ze vormen ook een bedreiging. Bacteriën kunnen ziekteverwekkers zijn die ziekten veroorzaken. Sommige bacteriën creëren kolonies die biofilms worden genoemd en die oppervlakken kunnen bedekken, waardoor hun effectiviteit wordt verminderd, bijvoorbeeld het vermogen van een blad om te fotosynthetiseren. Levende systemen moeten strategieën hebben om te beschermen tegen microben die ziekten veroorzaken of zo talrijk worden dat ze een onbalans in het systeem veroorzaken. Tegelijkertijd moeten levende systemen in harmonie blijven leven met andere microben. Sommige levende systemen doden microben. Anderen stoten af ​​zonder te doden om de kans te verkleinen dat microben zich aanpassen aan de dodelijke strategie en er resistent tegen worden. Sommige erwtenzaailingen scheiden bijvoorbeeld een chemische stof af die de vorming van biofilm remt.

Breek levende materialen af

Levende materialen zijn materialen die deel uitmaken van levende systemen (al dan niet levend). Een gevallen boomstam, hoewel dood, wordt bijvoorbeeld als levend materiaal beschouwd. Het afbreken of afbreken van levend materiaal is belangrijk voor levende systemen die zich ermee voeden, maar ook om de afbraak van organisch materiaal te vergemakkelijken. Afbraak vergroot het oppervlak van het materiaal dat wordt blootgesteld aan vocht, schimmels, bacteriën en andere levende systemen, waarvan vele enzymen en andere chemicaliën gebruiken om het verder af te breken. Maar levende materialen kunnen moeilijk afbreekbaar zijn, omdat hun samenstelling voor hun eigen overleving ondersteuning en bescherming moet bieden. Daarom hebben levende systemen mechanische middelen nodig (zoals malen, scheuren of kauwen) om deze materialen te manipuleren, evenals sterke materialen die weerstand kunnen overwinnen. Kleine kevers die door hout kauwen, hebben bijvoorbeeld grote, sterke kaken waarmee ze door dit taaie materiaal kunnen snijden.

Wijzig grootte/vorm/massa/volume

Veel levende systemen veranderen hun fysieke eigenschappen, zoals grootte, vorm, massa of volume. Deze wijzigingen vinden plaats als reactie op de behoeften van het levende systeem en/of veranderende omgevingsomstandigheden. Ze kunnen dit bijvoorbeeld doen om efficiënter te bewegen, aan roofdieren te ontsnappen, te herstellen van schade of om vele andere redenen. Deze wijzigingen vereisen passende responspercentages en -niveaus. Het wijzigen van een van deze eigenschappen vereist materialen om dergelijke veranderingen mogelijk te maken, aanwijzingen om de veranderingen aan te brengen en mechanismen om ze te beheersen. Een voorbeeld is de stekelvarkenvis, die zichzelf beschermt tegen roofdieren door slokjes water of lucht te nemen om zijn lichaam op te blazen en stekels op te richten die in zijn huid zijn ingebed.

Insecten

Klasse Insecta (“een insect”): Vliegen, mieren, kevers, kakkerlakken, vlooien, libellen

Insecten zijn de meest voorkomende geleedpotigen - ze vormen 90% van de dieren in de stam. Ze worden overal op aarde gevonden, behalve in de diepe oceaan, en wetenschappers schatten dat er miljoenen insecten zijn die nog niet zijn beschreven. De meeste leven op het land, maar velen leven een deel van hun levenscyclus in zoet- of zoutwatermoerassen. Insecten hebben drie verschillende lichaamsdelen: een kop met gespecialiseerde monddelen, een thorax met beweegbare poten en een achterlijf. Ze hebben goed ontwikkelde zenuw- en sensorische systemen en zijn de enige ongewervelde dieren die kunnen vliegen, dankzij hun lichtgewicht exoskeletten en kleine afmetingen.

Invoering

Elke zomer komen er overal ter wereld jaarlijkse krekels uit de grond, die de lucht verdikken met hun kenmerkende geklik en geratel. Zeventienjarige krekels, die alleen in Noord-Amerika voorkomen, slurpen bijna twintig jaar lang plantenwortelsap onder de grond voordat ze naar de oppervlakte komen en hun schelpen vervellen om volwassen te worden.

Volgens de orale traditie van de Onondaga-natie schoot een kroost van 17-jarige krekels uit de grond nadat de campagne tegen de verschroeide aarde van George Washington in 1779 de mensen zonder gewassen achterliet, waardoor ze een noodvoedselbron kregen die hen in staat stelde te overleven.

Nu kunnen krekels een ander middel zijn voor het overleven van de mens. Recente wetenschap toont aan dat kleine structuren op cicadevleugels bacteriën doden, wat ons een andere manier zou kunnen bieden om ziektekiemen te bestrijden die jaarlijks miljoenen mensen doden.

De strategie

In 2012 merkten wetenschappers op dat cicadevleugels verschillende soorten schadelijke bacteriën doden, maar het was niet meteen duidelijk hoe het werkte. Waren de vleugels bedekt met een antibioticum? Was er een snelle immuunrespons? Met behulp van krachtige microscopen om de vleugels van extreem dichtbij te bekijken, observeerden de wetenschappers kleine kegelvormige bultjes, nanopilaren genaamd, die beide zijden in een zeshoekige opstelling bedekken.

Ze veronderstelden dat het eigenlijk de kegels zelf waren die de bacteriën doodden, en ze gebruikten "de Midas-aanraking" om het te bewijzen. Ze bedekten cicadevleugels met een superdun laagje goud om eventuele biochemische reacties te remmen. Bij blootstelling aan de vergulde cicadevleugels stierven bacteriën nog steeds, wat aantoont dat er geen chemische moordenaar was - de unieke nanopijlerstructuren waren direct verantwoordelijk.

Om te begrijpen hoe de kegeltjes bacteriën doden, denk aan een bacteriële cel zoals een waterballon. Met een diameter die meerdere malen groter is dan de afstand tussen kegels, rust één cel op vele nanopilaren. Het is verleidelijk om deze nanopilaren te zien als een spijkerbed dat eenvoudigweg de waterballon laat knappen. In 2013 ontwikkelde dezelfde groep wetenschappers echter een model dat een ander verhaal vertelde.

De nanopilaren binden zich met het bacteriële celmembraan, rekken het uit en breken het uiteindelijk.

Overweeg wat er gebeurt tussen slechts twee van de kegels. De waterballon zou rond beide kegels doorzakken, terwijl het membraan ertussen zich als een brug over de opening zou uitstrekken. Op nanoschaal zakt het celmembraan echter niet alleen door - het wordt fysiek aangetrokken door de oppervlakken van de nanopilaren en blijft er in wezen aan plakken. Naarmate het membraan verder naar beneden op beide kegels hecht, rekt het membraan dat zich daartussen uitstrekt uit en breekt uiteindelijk als een rubberen band.

Beschouw nu eens breuken die scheuren tussen elk paar kegeltjes die de cel aanraakt - cytoplasmatische ingewanden die uit een versnipperd membraan komen, betekent bacteriële dood.

Dit mechanisme is alleen effectief bij gramnegatieve bacteriën - het type bacteriën dat de neiging heeft om infecties te veroorzaken. Het werkt niet op gram-positieve bacteriën, die meestal gunstige "probiotische" bacteriën zijn. In plaats van buigzame waterballonnen, lijken nuttige bacteriën meer op eieren met een harde schaal en stijve membranen. Ze worden beschermd tegen het brekende effect van de nanopilaren omdat de fysieke krachten die hun membranen naar de kegeloppervlakken trekken niet sterk genoeg zijn om hun stijfheid te overwinnen.

Het potentieel

Eeuwenlang bleef het concept van bacteriële infectie onontdekt, waardoor de oorlog die we er uiteindelijk tegen zouden voeren, werd uitgesteld. In de jaren 1860 begon de Franse microbioloog Louis Pasteur de strijd door eindelijk te bewijzen dat ziektekiemen infecties veroorzaken. Kort daarna vond hij pasteurisatie uit om sommige dranken veiliger te maken om te drinken.

Joseph Lister, een chirurg, paste het werk van Pasteur snel toe op ziekenhuizen en ontwikkelde de eerste sterilisatietechniek om instrumenten, handen en wonden te reinigen met carbolzuur. Toen, in 1928, ontdekte de Schotse onderzoeker Alexander Fleming per ongeluk penicilline, wat leidde tot tientallen jaren van antibioticaonderzoek.

Nu sommige bacteriën resistent worden tegen antibiotica, moeten we naar de natuur kijken om ons te helpen nieuwe manieren te ontdekken om infecties te bestrijden.

Nanopilaren met cicadevleugels kunnen het volgende wapen in ons kiemarsenaal zijn. Chirurgische instrumenten, biomedische implantaten, deurklinken en oppervlakken voor voedselbereiding kunnen ooit worden bedekt met microscopisch kleine kegeltjes om bacteriën te doden voordat ze kunnen binnendringen.


Waar zijn we nu?

Nu steeds meer bacteriën resistent zijn geworden tegen antibiotica, hebben wetenschappers over de hele wereld een hernieuwde interesse in fagen. De Europese Unie investeerde 5 miljoen euro in Phagoburn, een project dat onderzoek doet naar het gebruik van fagen om huidinfecties bij brandwondenslachtoffers te voorkomen (Figuur 2). In de VS keurde de FDA ListshieldTM goed, een voedingsadditief dat fagen bevat, dat doodt Listeria monocytogenes, een van de meest virulente door voedsel overgedragen pathogenen en een oorzaak van meningitis. Momenteel worden veel klinische onderzoeken uitgevoerd waarbij fagen worden gebruikt om bacteriële infecties zoals tuberculose en MRSA te behandelen of te voorkomen.

Ondanks het feit dat faagtherapie nog niet is goedgekeurd door de FDA, zijn fagen al gebruikt om levens te redden in experimentele behandelingen. In San Diego werd een wonderbaarlijk herstel gemeld van een patiënt die leed aan antibioticaresistente bacteriën. Tijdens een vakantie in Egypte werd Tom Patterson besmet met een multiresistente stam van Acinetobacter baumannii. Hij werd teruggevlogen naar Californië en meer dan 100 dagen behandeld met antibiotica, maar Patterson werd niet beter en raakte in coma. Hij werd uiteindelijk gered door een cocktail van fagen die uit rioolwater in Texas waren gezuiverd.

In de nabije toekomst, als antibiotica hun effectiviteit verliezen, kunnen we meer van dit soort verhalen gaan horen. En op een dag kan faag van ons laatste redmiddel tegen antibioticaresistente bacteriën naar onze eerste verdedigingslinie gaan.


Bugs versus Superbugs: insecten bieden belofte in strijd tegen antibioticaresistentie

Wetenschappers hebben een molecuul met ziektebestrijdend vermogen geïsoleerd in een microbe die leeft op een soort schimmelkwekende mier (geslacht Cyphomyrmex). De microbe doodt andere vijandige microben die de schimmel van de mieren aanvallen, een voedselbron. Met dank aan Alexander Wild/Universiteit van Wisconsin bijschrift verbergen

Wetenschappers hebben een molecuul met ziektebestrijdend vermogen geïsoleerd in een microbe die leeft op een soort schimmelkwekende mier (geslacht Cyphomyrmex). De microbe doodt andere vijandige microben die de schimmel van de mieren aanvallen, een voedselbron.

Met dank aan Alexander Wild/Universiteit van Wisconsin

Niemand houdt van een kakkerlak in huis. Maar voordat je de ongewenste indringer verplettert, bedenk dan dit: dat zesbenige beestje kan op een dag je leven redden.

Klopt. Insecten, waarvan al lang bekend is dat ze ziekten verspreiden, kunnen mogelijk helpen ze te genezen. Of beter gezegd, de microben die erin leven, zouden dat kunnen. Wetenschappers hebben tientallen micro-organismen ontdekt die in of op insecten leven en die antimicrobiële verbindingen produceren, waarvan sommige de sleutel kunnen zijn tot de ontwikkeling van nieuwe antibiotica.

Ze kunnen niet te vroeg komen. Meer infecties worden resistent tegen veel voorkomende antibiotica en de pijplijn van nieuwe antibiotica is vertraagd tot een straaltje.

"Er is een groeiende vraag [naar antibiotica] en een afnemend aanbod", legt Gerry Wright uit, die het Michael G. DeGroote Institute for Infectious Disease Research aan de McMaster University leidt.

De meeste antibiotica zijn ontdekt van bacteriën die in de bodem leven. Maar Cameron Currie, hoogleraar bacteriologie aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, zegt dat het zoeken in de bodem naar nieuwe antibiotica steeds zinloos is geworden.

"Ze blijven al bekende antibiotica vinden", zegt Currie. "Er is een algemeen gevoel dat de bron van antibiotica uit de bodem droog is."

Gelukkig is er misschien nog een put. Currie en een team van 28 onderzoekers hebben onlangs een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie waaruit blijkt dat sommige van de bacteriën die in insecten leven, echt goed zijn in het doden van de ziektekiemen die mensen ziek maken.

"Er zijn naar schatting 10 miljoen soorten [insecten] op de planeet", zegt Currie. "Dat impliceert een enorm potentieel voor veel nieuwe [antibiotische] verbindingen."

Microbiële strijders

Elk insect bevat een heel ecosysteem van micro-organismen, net als het microbioom dat bij de mens wordt aangetroffen. En er is één eigenschap die veel van die met insecten geassocieerde microben gemeen hebben, zegt Jonathan Klassen, assistent-professor moleculaire en celbiologie aan de Universiteit van Connecticut en een auteur van het onderzoek.

Ze kunnen niet zo goed met elkaar overweg.

Shots - Gezondheidsnieuws

'roofzuchtige bacteriën' kunnen worden ingezet ter verdediging tegen antibioticaresistentie

En door niet met elkaar overweg te kunnen, bedoelt hij dat ze elkaar constant proberen te vermoorden door middel van biochemische oorlogsvoering. Veel van de micro-organismen in insecten maken verbindingen die giftig zijn voor andere microben, in wezen natuurlijke antibiotica.

Sommige van die natuurlijke antibiotica trokken Currie's aandacht toen hij student was en onderzoek deed naar bladsnijdersmieren.

Bladsnijdermieren behoren tot de meest productieve tuiniers van de natuur. Ze eten de bladeren die ze snijden eigenlijk niet op - in plaats daarvan gebruiken ze ze om een ​​speciaal soort schimmel als voedsel te kweken. Toch valt het niet mee om schimmelboer te zijn.

"Net als de menselijke landbouw hebben mieren problemen met ziekten", zegt Currie. "Ik heb een gespecialiseerde ziekteverwekker gevonden die hun schimmeltuin aanvalt."

Gelukkig hebben de mieren een hulpmiddel om het probleem aan te pakken. Een bacteriesoort die op de exoskeletten van de mieren leeft, produceert een toxine dat de ziekteverwekker doodt. Net als de pesticiden die een tuinman gebruikt, houdt het gif de tuin van de mieren ziektevrij.

De ontdekking wekte Currie's nieuwsgierigheid. Als mieren deze bacteriële verbindingen zouden kunnen gebruiken om ziekten in hun schimmeltuinen te behandelen, zouden artsen ze dan kunnen gebruiken om ziekten bij mensen te behandelen? Zo ja, welke andere insecten dragen mogelijk ook ziektebestrijdende microben bij?

Om die vragen te beantwoorden, hebben Currie en zijn team jarenlang duizenden insecten verzameld, waaronder kakkerlakken, van Alaska tot Brazilië.

"Om de paar maanden ging er wel iemand ergens op pad om iets op te halen", herinnert Klassen zich, die toen als postdoctoraal onderzoeker aan het project werkte.

Het team testte bacteriën van elk insect om te bepalen of ze gewone menselijke ziekteverwekkers konden doden, zoals: E coli en methicilline-resistent Staphylococcus aureus (MRSA). Vervolgens vergeleken ze de resultaten van stammen van insectenbacteriën met stammen uit planten en grond.

"We waren echt verrast dat [insectenstammen] niet alleen zo goed waren, maar blijkbaar ook beter in het remmen van [pathogenen]", zegt Currie.

Een nieuw antibioticum testen

Zodra een wetenschapper heeft ontdekt dat een bacteriestam ziektekiemen kan doden, is de volgende stap in de ontwikkeling van geneesmiddelen om te bepalen welke bacterieverbinding verantwoordelijk is voor de antimicrobiële activiteit - zoals een kok die op zoek is naar het geheime ingrediënt in een bijzonder heerlijke soep.

Shots - Gezondheidsnieuws

Wetenschappers wenden zich tot de menigte op zoek naar nieuwe antibiotica

Currie's team had tientallen veelbelovende bacteriestammen gevonden in insecten. En elk zou een geheim ingrediënt kunnen opleveren dat een nieuwe antibiotische verbinding zou kunnen zijn.

Dat was op zich al een grote prestatie. Maar de onderzoekers gingen nog een stap verder. Ze isoleerden één verbinding uit één bijzonder veelbelovende bacteriestam en toonden aan dat het schimmelinfecties bij muizen kon remmen, een belangrijke stap in de ontwikkeling van geneesmiddelen.

De verbinding, cyphomycine, wordt gevonden op Braziliaanse schimmelkwekende mieren, naaste verwanten van de mieren die Currie als promovendus bestudeerde. Hoewel het nog lang geen goedgekeurd medicijn is, toont het onderzoek aan dat antibiotica die nieuw zijn voor de wetenschap, uit insecten kunnen worden geïsoleerd.

Wright, een antibioticumonderzoeker die niet meedeed aan het onderzoek, zegt dat eerder onderzoek heeft aangetoond dat afzonderlijke insectensoorten antimicrobiële stoffen bevatten. Maar dit is de eerste studie die uitgebreid aantoont dat insecten als groep een veelbelovende bron van nieuwe antimicrobiële stoffen zijn.

"Niemand heeft ooit iets op deze schaal gedaan", legt Wright uit.

Currie heeft goede hoop dat cyphomycine ooit zal worden goedgekeurd voor de behandeling van schimmelinfecties bij mensen. Maar voordat dat gebeurt, moet het jarenlang verder worden getest.

"Het [cyphomycin] is een miljoen mijl verwijderd [van goedkeuring]", zegt Wright. "Dat is de realiteit van het ontdekken van medicijnen."

Toch zegt Wright dat de onderzoekers al een van de moeilijkste hindernissen bij de ontwikkeling van geneesmiddelen hebben overwonnen door aan te tonen dat de verbinding bij muizen werkt.

Voor Klassen is de inzet te hoog om het niet te proberen.

"Inspanningen zoals deze studie zijn cruciaal om de antibioticapijplijn te laten stromen, zodat ziekte niet de overhand krijgt", zegt hij.

Uiteindelijk zijn de gevolgen van een wereld zonder antibiotica voldoende om wetenschappers op onconventionele plaatsen naar nieuwe medicijnen te laten zoeken, zelfs als dat betekent dat ze in een kakkerlak moeten kijken.


Zelfsteriliserende kunststoffen doden medicijnresistente bacteriën

Ondanks de toename van antibiotica en diverse antibacteriële handlotions en doekjes, blijven bacteriën een bewegend doelwit voor ziekenhuizen en klinieken die hun patiënten willen beschermen tegen infecties. Een benadering die grip krijgt in de poging om bacteriën te verbannen, is door de manier na te bootsen waarop het menselijk lichaam deze micro-organismen aanvalt door gaten in bacteriële celmembranen te slaan en hun vermogen om te veranderen in antibioticaresistente pathogenen te belemmeren.

Bacteriën worden steeds meer resistent tegen antibiotica door een combinatie van hun overmatig gebruik (waardoor bacteriecellen vertrouwd kunnen raken met deze medicijnen en ze kunnen zuiveren voordat ze hun werk kunnen doen) en het vermogen van de ziekteverwekkers om zich snel aan nieuwe omstandigheden aan te passen. Bacteriën delen zich elke 20 minuten, wat de evolutie versnelt en het equivalent van een veranderend sleutelgat creëert voor makers van antibiotica, zegt Nicholas Landekic, CEO en oprichter van PolyMedix, Inc., een Radnor, Pa., biotechbedrijf. "Zeventig procent van de bacteriële infecties is resistent", zegt hij, "wat een groot probleem is."

Volgens de U.S. Centers for Disease Control zijn bacteriële infecties nu de vierde belangrijkste doodsoorzaak in de VS, waarbij jaarlijks ongeveer 100.000 mensen omkomen. Ironisch genoeg is een van de beste plaatsen om een ​​infectie op te lopen het ziekenhuis en er worden jaarlijks meer dan twee miljoen gevallen van ziekenhuisinfecties gerapporteerd in de VS, volgens een recent gepubliceerd artikel in het tijdschrift The Society of Chemical Industry. Polymer International.

PolyMedix is, met de hulp van wetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania, bezig met het ontwikkelen van medicijnen en polymeren die zich gedragen als de lichaamseigen afweer. Onder die in de werken: medicijnen die bacteriën kunnen doden zonder de cellen zelf te hoeven binnendringen, evenals nieuwe polymeren waarvan het bedrijf hoopt dat ze zullen worden gebruikt in verven, kunststoffen en textiel om zelfsteriliserende producten en oppervlakken te maken. Het polymeer is geen coating zoals zilver, ammoniumzouten of fenolen, die volgens Landekic na verloop van tijd oplossen en hun effectiviteit verliezen. "Onze verbindingen worden onderdeel van het oppervlak", zegt hij, en kunnen bacteriën binnen enkele seconden doden. "Als je het antibioticum onderdeel van het materiaal maakt, is het effect langdurig."

Het bedrijf heeft geen tijdschema om het antibacteriële polymeer aan de winkelschappen te leveren, omdat het zijn middelen voornamelijk richt op het op de markt brengen van zijn antibioticum. Het bedrijf zou goedkeuring nodig hebben van het Amerikaanse Environmental Protection Agency & mdasha-proces dat tot 16 maanden duurt nadat een aanvraag is ingediend & mdash om zijn antibacteriële polymeer op te nemen in beddengoed, vloerbedekking, werkbladen en handdoeken.

"We hebben veel verschillende prototypematerialen ontwikkeld en hebben bewezen dat [het polymeer] werkt wanneer het aan verschillende materialen wordt toegevoegd", zolang het oppervlak maar schoon is, zegt Landekic. "De polymeren zijn zelfsteriliserend, niet zelfreinigend", voegt hij eraan toe. "Je moet ze laten interageren met de bacteriën."

Hij zegt dat de antimicrobiële polymeren ook succesvol kunnen zijn in het uitroeien Stachybotrys chartarum, of "zwarte schimmel", in woon- en bedrijfsgebouwen, een schimmel die longaandoeningen kan veroorzaken en allergieën kan verergeren. De polymeren kunnen ook belangrijk zijn in de oorlog tegen het terrorisme, wat verklaart waarom het Amerikaanse ministerie van Defensie het bedrijf meer dan $ 1,6 miljoen heeft gegeven om medicijnverbindingen en polymeren te ontwikkelen die in staat zijn om biologische oorlogspathogenen te bestrijden die infectieziekten zoals miltvuur, pest en tularemie veroorzaken. Het bedrijf ontving nog eens $ 3 miljoen voor onderzoek en ontwikkeling van het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid en Human Services.

PolyMedix heeft de goedkeuring van de Food and Drug Administration nodig voordat het medicijnen in ontwikkeling kan testen die op een dag antibiotica kunnen vervangen. Deze nieuwe oogst van micro-organismebestrijders zou, net als de polymeren, bacteriën doden door hun membranen vol gaten te slaan. PolyMedix heeft onlangs aangekondigd dat Health Canada&mdash, de nationale gezondheidswaakhond van het land, het bedrijf het groene licht heeft gegeven om een ​​klinische proef bij mensen te starten om de veiligheid en effectiviteit te beoordelen van een synthetische verbinding genaamd PMX-30063, ontworpen om systemische infecties te behandelen en tegelijkertijd de valkuilen van normale antibiotica niet meer effectief tegen bacteriën.


Weerstand overwinnen

De wetenschapper Personeel
1 april 2014

© JUSTIN GABBARD Hoewel onderzoekers en medicijnontwikkelaars al jaren waarschuwen dat bacteriën het medicijnarsenaal aan antibiotica te boven gaan, komt de crisis tot een hoogtepunt. Alleen al in de Verenigde Staten worden elk jaar zo'n 23.000 mensen gedood door infecties veroorzaakt door resistente bacteriën, volgens het Threat Report 2013 van de Centers for Disease Control and Prevention. Veel meer patiënten overlijden aan andere aandoeningen die gecompliceerd worden door infectie met resistente pathogenen. Dergelijke ziekten kosten de gezondheidszorg jaarlijks meer dan $ 20 miljard, deels omdat patiënten die lijden aan resistente infecties meer dan 8 miljoen extra ziekenhuisdagen nodig hebben.

De statistieken zijn ontnuchterend, en dat wordt nog erger door het feit dat de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) sinds 1998 slechts twee nieuwe klassen antibiotica heeft goedgekeurd. In feite zijn er in de afgelopen 45 jaar slechts vijf nieuwe klassen op de markt gekomen. jaar de overgrote meerderheid van de hedendaagse.

Overmatig gebruik - en niet alleen bij mensen, maar ook bij dieren - is een primaire oorzaak van de antibioticaresistentie-epidemie. Een van de meest controversiële antibioticapraktijken is de "niet-therapeutische" behandeling van landbouwhuisdieren met lage doses van de medicijnen om de groei te bevorderen en ziekte te voorkomen in drukke fabrieksboerderijen. (Zie "Antibiotica bij dieren die we eten", De wetenschapper, april 2012.) Tot 80 procent van de antibiotica die in de VS worden gebruikt, wordt aan dieren gevoerd, en de Natural Resources Defense Council bekritiseerde onlangs de FDA omdat ze veehouders toestond om 30 verschillende antibiotica in het voer en water van de dieren op te nemen, 18 van die het bureau zelf had beoordeeld als "hoog risico" voor het introduceren van antibioticaresistente bacteriën in de menselijke voedselvoorziening.

Alleen al in de Verenigde Staten overlijden elk jaar zo'n 23.000 mensen door infecties veroorzaakt door resistente bacteriën. Veel onderzoekers zijn nu gericht op het ontwikkelen van nieuwe behandelingsregimes om deze dodelijke superbacteriën te bestrijden.

Terwijl debatten woeden over wat de recente aanval van antibioticaresistente pathogenen drijft en hoe het bacteriële tij het beste kan worden tegengehouden, zijn veel onderzoekers nu gefocust op het ontwikkelen van nieuwe behandelingsregimes om deze dodelijke superbacteriën te bestrijden. Over één ding zijn de meeste van deze wetenschappers in de frontlinie het eens: antibioticaresistentie is geen enkelvoudig probleem. Hier, De wetenschapper onderzoekt vier strategieën die worden onderzocht om zelfs de meest resistente bacteriën te overwinnen: oude verbindingen aanpassen aan geheel nieuwe klassen antibiotica moderne antibiotica combineren in een een-tweetje tegen infectie bestaande antibiotica aanvullen met hulpstoffen die resistente ziekteverwekkers opnieuw vatbaar kunnen maken en het veld nieuw leven inblazen wortels door de hele wereld te kammen op zoek naar nieuwe antimicrobiële verbindingen.

Ontploffing uit het verleden

© JUSTIN GABBARD Het gouden tijdperk van de ontdekking van antibiotica ligt ver achter ons. Halverwege de 20e eeuw kwamen er talloze nieuwe klassen antibiotica op de markt en wetenschappers sleutelden aan deze moleculen om steeds krachtigere versies van de medicijnen te maken. Sindsdien is de put echter opgedroogd. Zelfs genomica is er niet in geslaagd het vastgelopen antibioticaveld te redden, zegt Anthony Coates, een antibioticaonderzoeker aan St. George's, University of London, en de oprichter van Helperby Therapeutics.

Een benadering die onderzoekers ondernemen om de droge periode te doorbreken, is het veranderen van oude medicijnen, inclusief de medicijnen die door Big Pharma zijn verlaten, met behulp van nieuwe technieken. Richard Lee van het St. Jude Children's Research Hospital in Memphis, Tennessee, bestudeert bijvoorbeeld een oud antibioticum, spectinomycine genaamd, dat in de jaren zestig werd geïntroduceerd om gonorroe te behandelen. Hoewel het medicijn werkte tegen de seksueel overdraagbare bacterie, waren grote doses nodig, en uiteindelijk ontwikkelden medicijnmakers krachtigere antibiotica. Hoewel spectinomycine slechts zwakke effecten heeft tegen de meeste microben, zag Lee potentieel in het hermodelleren ervan om bepaalde bacteriële infecties te behandelen, dankzij het vermogen om het bacteriële ribosoom te binden en de eiwitsynthese te verstoppen.

"Waar we van konden profiteren, wat 20 jaar geleden niet beschikbaar was, is de kristalstructuur van spectinomycine gebonden aan het ribosoom", zegt Lee. Met een aanpassing om aan te passen hoe het molecuul aan het ribosoom bindt, was het gemodificeerde medicijn in staat om tuberculose in vitro en bij muizen te bestrijden (Nat Med, 20:152-58, 2014). De veranderingen handhaafden niet alleen de affiniteit van het medicijn voor het ribosoom, maar zorgden er ook voor dat het antibioticum de effluxpomp kon vermijden die dit medicijn normaal uit de tuberculosebacterie uitstoot. "Het werkt beter dan we hadden durven dromen", zegt Lee, hoewel de potentie tegen gonorroe niet is verbeterd.

Jason Sello, een biochemicus aan de Brown University, heeft ook ontdekt dat kleine chemische aanpassingen een groot verschil kunnen maken voor de antibacteriële activiteit. Zijn groep heeft gesleuteld aan de structuur van ringvormige verbindingen die acyldepsipeptiden (ADEP's) worden genoemd. ADEP's, ontdekt in de jaren tachtig, waren aanvankelijk interessant voor farmaceutische bedrijven vanwege hun antibacteriële activiteit, maar werden uiteindelijk opzij gezet voor andere inspanningen en nooit op de markt gebracht. Een ongunstig aspect van ADEP's is dat bacteriën de neiging hadden om er vrij snel resistent tegen te worden, waardoor de medicijnen niet in staat waren een infectie te genezen. Maar omdat ADEP's op een manier werken die geen enkel ander antibioticum doet - ze activeren wijdverbreide eiwitafbraak door het bacteriële enzym ClpP, dat normaal gesproken verkeerd gevouwen eiwitten opruimt - zijn ze buitengewoon aantrekkelijk voor ontwikkeling als medicijn om bacteriële infecties te bestrijden, zegt Sello.

Hij en zijn collega's hebben zich gericht op de stijfheid van de cyclische structuur van ADEP's en ontdekten dat het versterken van de waterstofbruggen van de ring de antibacteriële kracht van de verbinding kan vergroten, schijnbaar door het medicijn gemakkelijker in doelcellen te laten komen (J Am Chem Soc, 136:1922-29, 2014). "Waarom het beter is in het doden van bacteriën, is niet omdat het een beter werkingsmechanisme heeft, maar we denken dat het meer celdoorlatend is", zegt Sello. Voorlopige studies in muismodellen tonen aan dat het gemodificeerde ADEP goed is in het behandelen van stafylokok- en enterokokkeninfecties, en tot nu toe is er geen bewijs dat het medicijn giftig is.

Aan de Oregon State University heeft microbioloog Bruce Geller nog een andere ontdekking opgepikt die tientallen jaren geleden is gedaan. Fosforodiamidaat morfolino-oligomeren (PMO's) zijn korte, synthetische versies van genetisch materiaal die in de jaren tachtig zijn uitgevonden. Hun moleculaire ruggengraat maakt ze resistent tegen nucleasen, zodat ze langs de afweer van bacteriën tegen vreemd DNA kunnen sluipen, en de sequentie van elke PMO is op maat ontworpen om de mRNA-expressie door een bepaald gen te verstoren. Geller's groep bond de PMO's aan membraanpenetrerende peptiden om de toegang tot bacteriën te verbeteren. De resulterende peptide-geconjugeerde PMO's (PPMO's) zijn "de ultieme therapie met een smal spectrum, omdat ze soort- en genspecifiek zijn", zegt Geller.

Geller heeft PPMO's ontworpen om zich te richten op een verscheidenheid aan bacteriële genen, waaronder acpP, een gen dat nodig is voor de biosynthese van lipiden. "Als je het uitschakelt, is het een dodelijke gebeurtenis", zegt hij. Zeker, wanneer ze werden behandeld met acpP-specifieke PPMO's, overleefden muizen die waren geïnfecteerd met multiresistente Acinetobacter baumannii gedurende ten minste een week, terwijl controlemuizen stierven, de meeste binnen een dag (J Infectieziekten, 208:1553-60, 2013).

Geller en de andere onderzoekers hopen dat hun werk op een dag vruchten zal afwerpen in de kliniek, maar voorlopig blijven dergelijke nieuwe medicijnen die voortkomen uit oude ontdekkingen slechts een preklinisch sprankje hoop, met nog vele jaren werk voordat de geneeskunde een broodnodige nieuwe klasse krijgt van antimicrobiële middelen. "De wetenschappelijke moeilijkheid [van het ontwikkelen van een nieuw antibioticum] moet niet worden onderschat", zegt Coates.—Kerry Grens

Er zijn er twee nodig

© JUSTIN GABBARD Gezien de moeilijkheden om een ​​geheel nieuwe klasse antimicrobiële middelen op de markt te brengen, richten sommige onderzoekers hun blik op wat zij zien als een gemakkelijker haalbaar doel: bestaande medicijnen combineren tot effectievere therapieën. "Het zal buitengewoon moeilijk zijn om een ​​gloednieuwe chemische steiger te vinden die alle prachtige chemische eigenschappen heeft van de [antibiotica] die we nu hebben", zegt de chemisch bioloog van de McMaster University, Gerard Wright. "Alle toekomstige antibiotica moeten als combinaties worden ontwikkeld."

Om het potentieel van nieuwe combinatietherapieën te onderzoeken, keek microbioloog Kim Lewis, directeur van het Antimicrobial Discovery Center aan de Northeastern University in Boston, naar een van de schijnbaar mislukte ADEP-antibiotica, ADEP4. Wetenschappers van Bayer Healthcare ontdekten het medicijn in 2005, maar lieten het later vallen nadat in vitro-experimenten hadden aangetoond dat bacteriën er snel resistentie tegen ontwikkelden. Maar net als Sello dachten Lewis en zijn collega's dat het gewoon een beetje hulp nodig had. Dus combineerden ze ADEP4 met een conventioneel antibioticum, rifampicine, in de hoop dat de behandeling effectief zou zijn - en effectief zou blijven - tegen Staphylococcus aureus, die gemakkelijk antibioticaresistente biofilms vormt die slapende cellen herbergen die bekend staan ​​​​als persisters. (Zie "Bacteriële persistentie", De wetenschapper, Januari 2014.)
De therapie werkte beter dan iemand had durven hopen: terwijl ADEP4 en rifampicine elk de microbiële populaties in vitro en bij muizen verminderden, vernietigden ze de bacteriën (Natuur, 503:365-70, 2013). "Wat we onverwacht ontdekten, was dat we met de combinatie van deze ADEP-verbinding met een ander antibioticum volledige sterilisatie kregen", zegt Lewis.

Lewis en zijn collega's kennen nog niet het precieze kwetsbaarheidsmechanisme dat de ADEP4/rifampicine-combinatie uitbuitte, maar het ging waarschijnlijk om ADEP4's activering van het ClpP-protease. Het triggeren van ClpP om eiwitten niet-specifiek af te breken in persistente cellen in biofilms kan de afbraak van honderden eiwitten hebben veroorzaakt, waardoor de cellen gedwongen zijn zichzelf te verteren, zegt Lewis. Hoewel sommige bacteriën kunnen zijn geëvolueerd om functioneel ClpP te missen en daarom weerstand bieden aan de aanval van ADEP4, is rifampicine, dat RNA-polymerase remt, waarschijnlijk tussenbeide gekomen en heeft die cellen gedood. "We moeten wat extra toxiciteitstesten doen, maar het doel is om dit in klinische studies te brengen", zegt Lewis.

Yanmin Hu, een medisch microbioloog aan de St. George's, University of London, en onderzoeksdirecteur bij Helperby Therapeutics, had onlangs ook succes met een combinatietherapie met antibiotica. De oprichter van Hu en Helperby, Coates, gebruikten high-throughput screening om HT61 te identificeren, een kleine antibiotische verbinding die selectieve bactericide activiteit vertoonde tegen methicilline-gevoelige S. aureus (MSSA) en methicilline-resistent S. aureus (MRSA) door de bacteriële celmembranen te depolariseren. "We dachten: 'Oké, als we onze verbinding combineren met bestaande antibiotica, laten we eens kijken wat we kunnen krijgen'", herinnert Hu zich. Het resultaat in vitro en in muismodellen: HT61 verbetert de antimicrobiële werking van traditionele antibiotica, met name aminoglycosiden zoals neomycine, gentamicine en chloorhexidine, tegen MSSA en MRSA (J Antimicrobiële Chemother, 68:374-84, 2012).

Hu zegt dat de combinatietherapie waarschijnlijk zo goed werkte - veel beter dan elk antibioticum dat alleen werd toegediend - omdat HT61 in wezen gaten in de membranen van niet-delende bacteriële cellen sloeg, waardoor de aminoglycosiden naar binnen konden stromen. Gebruikt als een actueel middel in combinatie met het antibioticum mupirocin, HT61 heeft Fase 1 en 2 studies voor de behandeling van latente MRSA-infecties goedgekeurd, zegt Hu. Zij en Coates hebben ook een overvloed aan andere potentiële verbindingen geïdentificeerd die zouden kunnen dienen om de effecten van bestaande antibiotica te versterken. "We hebben ongeveer 300 vergelijkbare verbindingen die een zeer goede activiteit vertonen tegen persistente organismen", zegt Hu.

Het idee van een magische kogel is verdwenen. We hebben een magisch jachtgeweer nodig. — Gerard Wright,
McMaster University

Antibiotica kunnen ook worden gecombineerd met bestaande, niet-antibiotische medicijnen, zoals Wright doet. In 2011 screenden hij en zijn collega's meer dan 1.000 goedgekeurde geneesmiddelen op verbindingen die het vermogen van het antibioticum minocycline om infecties te bestrijden, vergrootten. Ze identificeerden een reeks veelbelovende niet-antibiotische geneesmiddelen - voor uiteenlopende indicaties als de ziekte van Parkinson, prikkelbare darmsyndroom, kanker en diarree - die, in combinatie met minocycline, infecties van Pseudomonas aeruginosa, E coli, en S. aureus in vitro en bij muizen (Nat Chem Biol, 7:348-50, 2011). "We hebben echt een heel deel van de antimicrobiële doelruimte gemist", zegt Wright, die eraan toevoegt dat hij er sterk van overtuigd is dat combinatietherapieën de beste manier zijn om de dreiging van antibioticaresistentie aan te pakken. “Het idee van een magische kogel is verdwenen. We hebben een magisch jachtgeweer nodig.”—Bob Grant

Resensibiliserende bacteriën

© JUSTIN GABBARD In plaats van antibiotica te combineren met nieuwe verbindingen waarvan is vastgesteld dat ze antibiotische activiteit hebben, willen sommige onderzoekers gewoon adjuvans toevoegen. Hoewel adjuvantia zelf geen bacteriën kunnen doden, maken ze resistente microben opnieuw vatbaar wanneer ze worden toegevoegd aan antibioticaregimes.

"We ontwikkelen middelen om bacteriën gevoelig te maken voor de middelen die we al hebben", zegt microbioloog Anders Hakansson van de State University van New York in Buffalo, die in 2012 ontdekte dat behandeling met een eiwit-lipidencomplex uit moedermelk het effect van veel voorkomende antibiotica tegen medicijnresistente Streptococcus-pneumoniee (PLOS EEN, 7:e43514, 2012).

Vanuit financieel oogpunt zijn antibiotische adjuvantia zinvol. Het ontwikkelen en valideren van een kleinmoleculige sensibilisator voor gebruik in combinatie met een bestaand antibioticum zou veel minder moeten kosten dan het ontwikkelen en valideren van een volledig nieuw medicijn. Het doel is "het nut en de levensduur van bestaande antibiotica te verlengen", zegt biomedisch ingenieur James Collins van de Boston University. "In sommige gevallen is er nog enige activiteit van het antibioticum, het haalt de dodelijkheidsdrempel gewoon niet. Het adjuvans maakt het mogelijk om die drempel te verleggen.”

Een manier waarop microben resistentie ontwikkelen tegen eerstelijnsantibiotica, is door de toegang van het medicijn in de cel te blokkeren. Veel gram-negatieve bacteriën vormen de extra uitdaging om -lactamase-enzymen te produceren die antibiotica die een β-lactamring bevatten, zoals penicillines, cefamycinen en sommige carbapenems, blokkeren om de biosynthese van bacteriële celwanden te remmen. En zelfs als een antibioticum de bacteriële celwand kan binnendringen en afbraak door β-lactamasen in het cytoplasma kan voorkomen, moet het medicijn ook vechten tegen effluxpompen om lang genoeg in de bacterie te blijven om de cel te doden.

Het is een hele opgave, zegt Laura Piddock, hoogleraar microbiologie aan de Universiteit van Birmingham, die daar de Antimicrobials Research Group leidt. "Deze moleculen moeten niet alleen door het buitenste [bacteriële cel]membraan komen, ze moeten dan al deze enzymen passeren, en dan zullen ze vrijwel zeker worden weggepompt", zegt ze. "Deze drie dingen samen vormen een zeer, zeer zware uitdaging."

Maar nieuwe adjuvans-sensibilisatoren kunnen elk van deze bacteriële afweermechanismen aanpakken - door celwanden te beschadigen, β-lactamase te remmen of effluxpompen te stoppen - en een handvol biotechbedrijven hebben nu antibiotische adjuvantia in hun ontdekkings- en ontwikkelingspijplijnen. Het in Boston gevestigde bedrijf Collins, mede-oprichter, EnBiotix, werkt bijvoorbeeld aan potentiators zoals zilververbindingen die persistente bacteriën gevoelig maken voor bestaande antibiotica door de doorlaatbaarheid van het bacteriële membraan te vergroten. Het in Oklahoma City gevestigde Synereca werkt aan het valideren van remmers van het bacteriële eiwit RecA, dat een rol speelt bij recombinatie DNA-herstel. En Venus Remedies in Chandigarh, India, kreeg vorig jaar in een handvol landen goedkeuring om Elores te verkopen, een β-lactamaseremmer in combinatie met het antibiotische adjuvans dinatriumedetaat.

We ontwikkelen middelen om bacteriën gevoelig te maken voor de middelen die we al hebben. —Anders Hakansson,
Staatsuniversiteit van New York in Buffalo

Over het algemeen is de vooruitgang echter traag geweest, gedeeltelijk beperkt door de toxiciteit van deze kleine moleculen. "Mensen beginnen te zoeken [naar antibiotische adjuvantia]", zegt Hakansson, "maar op dit moment is er niet echt een kritische massa moleculen die echt werken" zonder onaanvaardbare bijwerkingen te veroorzaken.

Desalniettemin blijven hij en anderen zoeken naar nieuwe adjuvantia die de steeds nuttelozere antibiotica weer effectief zouden kunnen maken. "Verschillende medicijnen werken in synergie met elkaar", zegt Hakansson, die zich een toekomst voorstelt waarin antibioticaresistente bacteriële infecties net als hiv worden behandeld, met een cocktail van medicijnen. Eenmaal geïdentificeerd en gevalideerd, kunnen adjuvante sensibilisatoren net zo gewoon zijn in de apotheek als de antibiotica zelf. —Tracy Vence

Ontdekkingszone

© JUSTIN GABBARD Sinds de toevallige observatie van Alexander Fleming uit 1928 dat a Penicillium schimmel verhinderde de groei van stafylokokkenbacteriën, was de zoektocht naar nieuwe antibiotica grotendeels gericht op schimmels en microben die in de bodem leven, in de hoop een ander natuurlijk product te ontdekken met de brede effectiviteit en lage toxiciteit van penicilline. Maar aangezien recentere zoekopdrachten tot teleurstelling leiden, wenden sommige onderzoekers zich tot nieuwe bronnen - planten, insecten en mariene organismen - om antibiotica te vinden die onze meest voorkomende en hardnekkige ziekteverwekkers kunnen doden.

Toen scheikundige Simon Gibbons van de University College London School of Pharmacy in 2008 op zoek ging naar planten die verbindingen met antimicrobiële eigenschappen bevatten, besteedde hij bijzondere aandacht aan de planten die in de traditionele geneeskunde worden gebruikt, vooral voor wondgenezing. "Als een plant wordt gebruikt als wondgenezingsmiddel, is de kans groot dat er chemicaliën in zitten die de bacteriën in de wond doden", zegt hij. Hoewel het best bekend staat om zijn psychoactieve eigenschappen, past cannabis, dat van oudsher werd ingenomen in delen van Afghanistan en India om infecties te behandelen, de rekening. Gibbons en zijn collega's isoleerden vijf cannabinoïden uit Cannabis sativa en ontdekte dat elk middel effectief was tegen MRSA (J Nat Prod, 71:1427-30, 2008). "Het is niet in vivo bevestigd, maar zeker in het laboratorium weten we dat deze dingen resistente bacteriën doden", zegt hij.

Gibbons heeft ook chemicaliën met antibiotische eigenschappen gevonden in andere bekende plantengroepen. Bijvoorbeeld planten in de Allium geslacht, dat knoflook en uien omvat, produceren zwavelhoudende verbindingen die werkzaam zijn tegen MRSA en Mycobacterium (J Nat Prod, 72:360-65, 2009). En veel van de hypericums - de familie die sint-janskruid omvat - maken chemicaliën die acylfloroglucinolen worden genoemd en die ook effectief MRSA in vitro doden (J Nat Prod, 75:336-43, 2012). “We hebben aanknopingspunten gehad. . . en een reeks van verbindingen die gepatenteerd zijn”, zegt Gibbons, en die verbindingen worden nu gesynthetiseerd en aangepast om hun activiteit te verbeteren.

Andreas Vilcinskas van Justus Liebig University Giessen in Duitsland gebruikt nog een enorme bron om nieuwe antibacteriële verbindingen te identificeren: insecten. "Insecten worden beschouwd als de meest succesvolle groep organismen ter wereld", zegt Vilcinskas, die vermoedt dat een van de sleutels tot hun succes het vermogen om microben te beheren is. En het is waarschijnlijk, voegt hij eraan toe, dat verschillende insecten verschillende strategieën hebben om zichzelf tegen ziekteverwekkers te beschermen. “Ik ben ervan overtuigd dat de biodiversiteit die je op soortniveau ziet, ook op moleculair niveau wordt weerspiegeld.”

In 2012 besloot hij zich te verdiepen in invasieve insectensoorten, waarvan hij veronderstelt dat ze een bijzonder sterk immuunsysteem hebben om hen in staat te stellen te slagen in nieuwe omgevingen. Het oogsten van hemolymfe van harlekijn-lieveheersbeestjeskevers (Harmonia axyridis), die met succes inheemse kevers over de hele wereld hebben verslagen, ontdekte Vilcinskas meer dan 50 nieuwe antimicrobiële verbindingen. Eén verbinding, harmonine genaamd, vertoonde activiteit tegen zowel Mycobacterium tuberculosis als MRSA (Biologie Brieven, 8:308-11, 2012), en de groep van Vilcinskas brengt nu chemische wijzigingen aan in harmonine en andere verbindingen om nog krachtigere antibiotica te produceren.

Andere onderzoekers, zoals William Fenical van de Scripps Institution of Oceanography in San Diego, Californië, hebben de zoektocht naar antibiotica volledig uit de terrestrische omgevingen verplaatst. Fenical en zijn collega's verzamelen zeebodemmonsters, van ondiepe offshore tot diepten van bijna 6000 meter, kweken vervolgens de micro-organismen die erin zitten en testen de verbindingen die ze produceren tegen antibioticaresistente microben zoals MRSA. "Zeventig procent van de aarde is de oceaan", zegt Fenical. "We voelen dat de oceaan een enorm potentieel heeft."

Vorig jaar heeft de groep de ontdekking beschreven van een uniek antibioticum gemaakt door een soort Streptomyces-bacteriën geïsoleerd uit mariene sedimenten voor de kust van Santa Barbara. Ze noemden de verbinding anthracimycine vanwege zijn hoge activiteit tegen het potentiële bioterrorisme-agens Bacillus anthracis, maar de verbinding vertoonde ook remming van MRSA in voedingsbodemassays (Ange Chem Int Ed, 52:7822-24, 2013).

Verhuizen van het lab naar de kliniek is echter niet triviaal, merkt Fenical op. Het verbeteren van de oplosbaarheid en activiteit van de verbinding, het verlagen van de toxiciteit en het opschalen van de productie kunnen allemaal uitdagingen opleveren. En in zulke vroege stadia valt de impact van deze ontdekkingen op het probleem van antibioticaresistentie nog te bezien. "Om helemaal eerlijk te zijn, de jury is eruit", zegt McMaster's Wright, wiens groep verbindingen heeft onderzocht die zijn gemaakt door microben die zijn gevonden in een geïsoleerde Mexicaanse grot en in een Cubaans mangrovebos. Desalniettemin, gezien de diversiteit aan natuurlijke producten die nu wordt ontdekt, voegt hij eraan toe: "Het is zeker de moeite waard om te verkennen." —Abby Olena


Alleen een superwapen kan superbacteriën doden, en de mensheid heeft het eindelijk gevonden

In 1945, in New Mexico, voerden de onderzoekers van het Manhattan Project de eerste ontploffing uit van een nucleair wapen dat de woestijn met licht baadde en tientallen jaren daarna een lijkwade over de wereld wierp. In 2016 zag het zuidwesten opnieuw een voorbode van vernietiging.

Zoals een rapport van het Center for Disease Control (CDC) uit 2017 uitlegde, stierf een vrouw in een ziekenhuis in Nevada nadat ze een infectie had opgelopen door carbapenem-resistente Enterobacteriaceae (CRE). Deze "superbacterie" was resistent tegen alle 26 antibiotica die in de Verenigde Staten verkrijgbaar waren.

Hoewel de zaak Nevada voor sommigen in de Verenigde Staten misschien een wake-up call is geweest, zien onderzoekers de crisis al jaren wereldwijd groeien. In 2014 waarschuwde Dr. Keiji Fukuda, de adjunct-directeur voor gezondheidsbeveiliging bij de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO), voor het reeds aanwezige gevaar en zei: "Zonder dringende, gecoördineerde actie van veel belanghebbenden is de wereld op weg naar een post-antibioticum tijdperk, waarin gewone infecties en kleine verwondingen die al tientallen jaren te behandelen zijn, opnieuw dodelijk kunnen zijn.”

De CDC schat dat er elk jaar meer dan 23.000 sterfgevallen zijn in de Verenigde Staten als gevolg van antibioticaresistente bacteriën. India, waar de vrouw uit Nevada op reis was toen ze haar dodelijke verwonding opliep, heeft volgens het Center for Disease Dynamics, Economics and Policy de hoogste mate van weerstand tegen E. Coli ter wereld. In China breidt de resistentie tegen het medicijn colistine zich uit. Dit is bijzonder verontrustend, aangezien colistine al als een laatste redmiddel wordt beschouwd. Het is een oud medicijn dat nierbeschadiging kan veroorzaken, en artsen hebben het alleen uit hun pensioen gehaald omdat moderne medicijnen steeds minder effectief zijn geworden.

Antibioticaresistentie zal zich blijven verspreiden en het vertegenwoordigt een van de grootste gezondheidscrises van onze tijd. Gelukkig zijn er onderzoekers die eraan werken om het te stoppen.

Een genetische oplossing

"Bacteriën zullen resistentie ontwikkelen tegen elk antibioticum of antimicrobieel middel als ze genoeg tijd krijgen", vertelde Dr. Bruce Geller, een professor in de microbiologie aan de Oregon State University, aan Digital Trends. "Omdat ze een voorsprong van 4 miljard jaar hebben gehad in de evolutie van mechanismen om zich aan te passen aan veranderende omgevingen, zijn ze heel, heel goed in het omzeilen van alle antimicrobiële stoffen die ze kunnen tegenkomen."

Jarenlang spelen biologen zoals Geller evolutionair een mol met bacteriën. Hoewel onderzoekers gewapend zijn met de collectieve kennis van de wetenschappelijke gemeenschap, hebben bacteriën de sluwe flexibiliteit van de natuur. Voor elk middel dat mensen tegen hen gebruiken, ontwikkelen bacteriën een tegenmaatregel. Terwijl antibiotica een revolutie in de geneeskunde waren, begonnen bacteriën zichzelf te hervormen vanaf het moment dat we ze voor het eerst gebruikten.

Geller onderzoekt een unieke aanpak: in plaats van nog een andere manier te ontwikkelen om bacteriën te doden waartegen ze uiteindelijk resistent zullen worden, waarom zouden we ze dan niet opnieuw kwetsbaar maken voor reeds bestaande antibiotica?

Voor dit doel zijn Gellers favoriete wapens synthetische moleculen die peptide-geconjugeerde fosforodiamidaat-morfolino-oligomeren, kortweg — PPMO's, worden genoemd. Zoals je misschien al geraden hebt uit de waanzinnig lange naam, zijn PPMO's vrij ingewikkeld om te begrijpen hoe ze werken. Je moet eerst je hoofd wikkelen over hoe antibiotica werken en hoe bacteriën hebben geleerd om ze te bestrijden.

Hoe bacteriën en antibiotica werken

Bacteriën zijn microscopisch kleine eencellige organismen die in verschillende vormen voorkomen. Net als andere eencellige organismen hebben bacteriecellen een celwand die hen omringt, specifiek bij bacteriën. Deze wanden bevatten een stof genaamd peptidoglycaan, en dit kan essentieel zijn voor het gebruik van antibiotica.

Een antibioticum is ontworpen om micro-organismen zoals bacteriën te vernietigen. Om een ​​antibioticum effectief te laten werken, moet het bacteriecellen doden zonder menselijke cellen te vernietigen, dus biologen ontwikkelen antibiotica om aspecten aan te pakken die uniek zijn voor bacteriecellen. Penicilline verhindert bijvoorbeeld dat het peptidoglycaan in bacteriecellen zich met elkaar verbindt, waardoor de celwanden zwak worden en vatbaar zijn voor instorten. Een andere klasse antibiotica - sulfonamiden - remt het vermogen van cellen om foliumzuur te produceren. Dit is prima voor menselijke cellen, die foliumzuur van externe bronnen kunnen opnemen, maar het betekent de dood voor bacteriecellen, die zelf foliumzuur moeten produceren. Een derde type antibioticum, tetracycline, remt de eiwitsynthese in cellen, maar accumuleert niet voldoende in menselijke cellen om ze te schaden.

Hoe inventief antibiotica ook zijn, bacteriën passen zich altijd aan. Sommigen gebruiken eiwitstructuren die "effluxpompen" worden genoemd om antibiotica uit hun cellen te duwen. Anderen kunnen zichzelf herschikken en effectief delen van de cel verbergen die kwetsbaar zijn voor antibiotica. Weer anderen produceren enzymen '8212 zoals Geller's target, New Delhi metallo-beta-lactamase (NDM-1) '8212 die antibiotica kunnen neutraliseren.

De menselijke darm alleen bevat meer bacteriën dan er cellen in het menselijk lichaam zijn.

Alsof het kwikachtige karakter van bacteriën nog niet angstaanjagend genoeg was, moeten onderzoekers kampen met het feit dat bacteriën ook een nuttige, zij het onwetende, handlanger hebben: wij. Weerstand ontwikkelt zich en verspreidt zich door natuurlijke, evolutionaire processen, maar menselijk gedrag geeft het een nuttig duwtje.

Hoe ontstaat resistentie? Sommige bacteriecellen ontwikkelen willekeurige mutaties die resulteren in deze resistentiemechanismen. Wanneer een antibioticakuur een populatie bacteriën doodt, blijven resistente cellen in leven en kunnen ze zich voortplanten. Om het nog erger te maken, kunnen niet-resistente bacteriën resistentie krijgen van cellen die het hebben en een kopie krijgen van het gen dat het resistentiemechanisme levert.

Dit proces is volkomen natuurlijk - bacteriën zullen onvermijdelijk resistent worden tegen een antibioticum dat tegen hen wordt gebruikt - maar het gaat sneller door menselijk gedrag. De eerste trend die de verspreiding van resistentie heeft versneld, is dat de samenleving simpelweg te veel antibiotica gebruikt. Een rapport van de CDC schat dat ten minste 30 procent van de antibioticavoorschriften in de VS onnodig zijn, veel van deze voorschriften gaan naar patiënten die lijden aan virale infecties, waartegen antibiotica volledig nutteloos zijn!

Ondanks onze obsessie met hygiëne, zijn mensen wandelende bacterieboerderijen. De menselijke darm alleen bevat meer bacteriën dan er cellen in het menselijk lichaam zijn. Wanneer een patiënt antibiotica slikt, kunnen de bacteriën in zijn of haar darmen resistenties ontwikkelen, die zich vervolgens kunnen verspreiden naar andere mensen.

Mensen zijn niet de enige wezens die een overmatige hoeveelheid antibiotica gebruiken, zelfs boerderijdieren hebben aan het probleem bijgedragen. Al jaren geven boeren antibiotica aan voedseldieren zoals koeien, kippen en varkens. Dit houdt niet alleen het vee gezond (zieke dieren zijn slecht voor de zaken), maar het is ook aangetoond dat het gebruik van antibiotica de groei van deze dieren bevordert. Goed nieuws voor boeren, maar verschrikkelijk voor iedereen die zich zorgen maakt over de opkomst van superbacteriën. De Food and Drug Administration heeft geprobeerd het gebruik van antibiotica bij vee te verminderen en de groeibevordering hard aan te pakken.

De wondere wereld van PPMO's

Maatschappelijk gedrag veranderen is vaak een langzaam en moeilijk proces. De CDC hoopt de komende jaren het aantal antibiotica-recepten met 15 procent te verminderen, een ambitieus doel gezien het feit hoe vaak patiënten recepten voor hun kwalen eisen. Dankzij het werk van onderzoekers als Geller kan de oorlog tegen bacteriën omslaan zonder ingrijpende hervormingen.

Het megawapen van Geller is een PPMO die is ontworpen om resistentiemechanismen in bacteriën te neutraliseren, waardoor ze kwetsbaar worden voor antibiotica. "Dit molecuul kan de gevoeligheid voor standaard, reeds goedgekeurde antibiotica herstellen bij bacteriën die nu resistent zijn tegen die antibiotica", zegt Geller, waardoor het niet langer nodig is om tijd en geld te investeren in de ontwikkeling van nieuwe antibiotica. Dus hoe werkt deze PPMO?

Een PPMO is een soort synthetisch molecuul dat DNA nabootst en kan binden aan het ribonucleïnezuur (RNA) van een cel. RNA neemt de informatie die is opgeslagen in het DNA van een cel en vertaalt deze in eiwitten die de verschillende functies van die cel uitvoeren.

Stel je een gen voor als instructies, geschreven in een brief. Normaal gesproken ontvangt het RNA deze brief en voert het de instructies uit, waardoor de juiste eiwitten worden aangemaakt. De PPMO onderschept in plaats daarvan de brief onderweg en vervangt deze door een brief die het RNA beveelt niets te doen. Dus het team van Geller kan een PPMO maken die bindt aan het gen dat NDM-1 produceert - een enzym dat antibiotica neutraliseert en het tot zwijgen brengt. Plots heeft de bacterie geen afweermechanisme.

"De meeste standaardantibiotica richten zich niet op genen of genexpressie, ze binden zich aan cellulaire structuren zoals ribosomen of membranen", legt Geller uit. "Onze benadering is om de genen zelf aan te pakken, of meer specifiek, het boodschapper-RNA dat van de genen wordt gemaakt. Onze moleculen binden aan een specifiek boodschapper-RNA, en dat verhindert de translatie ervan in eiwit.”

Hoewel de PPMO's synthetisch zijn, worden ze niet opgeroepen uit 'aarde, wind en vuur', zoals Geller het uitdrukt. Het proces begint, zoals menig geweldige avond doet, met biergist. Chemici halen de gist uit fermentatievaten en halen het DNA eruit.

Het team van Geller kan een PPMO maken die zich bindt aan het gen dat NDM-1 produceert, een enzym dat antibiotica neutraliseert en het tot zwijgen brengt.

Chemici breken het DNA vervolgens af, extraheren enkele van de meer waardevolle delen en gebruiken hun stukjes als de bouwstenen van het molecuul. Hoewel bacteriën het doelwit zijn van het molecuul, zijn ze niet het enige obstakel waarmee het wordt geconfronteerd. Het menselijk lichaam, met al zijn natuurlijke afweermechanismen, vormt een bedreiging, dus de scheikundigen brengen wijzigingen aan in de resulterende verbinding en beschermen het tegen de enzymen in het menselijk lichaam die het zouden kunnen desintegreren.

Het proces klinkt misschien tijdrovend, maar het is eigenlijk opmerkelijk snel."De echte schoonheid van deze technologie", zegt Geller, "is dat het de ontdekkingstijd voor een nieuw medicijn echt verkort. Een van de meest tijdrovende en arbeidsintensieve stappen in de ontwikkeling van geneesmiddelen is ontdekking. Wanneer wetenschappers eropuit gaan en een nieuw medicijn proberen te ontdekken, kan het vele jaren duren voordat ze een hit vinden, iets dat ze denken misschien een goed medicijn.” Aangezien de PPMO "zich echt op elk gen kan richten, hoeven we alleen maar de sequentie van ons oligomeer te veranderen en kunnen we een nieuw medicijn maken in een kwestie van dagen, zo niet uren."

Geller werkt sinds 2001 aan zijn onderzoek en de resultaten kwamen niet zomaar. Hij werkt met Gram-positieve bacteriën, die een dikke peptidoglycaanlaag in hun celwanden hebben. In het begin van zijn onderzoek konden zijn moleculen, die toen nog PMO's waren, niet door de celwanden dringen. Hoe brak hij uiteindelijk door?

Als je een middeleeuwse krijgsheer bent die een fort probeert te kraken, gebruik je een trebuchet. Geller nam genoegen met peptiden. Zijn team hechtte membraandoordringende peptiden aan de PMO's, waardoor PPMO's werden gecreëerd, waardoor ze de celwand konden doorboren. Eenmaal binnen, gaat het molecuul aan het werk, bindt het zich aan RNA en stopt het met het vertalen van genen.

Misschien wel het meest bruikbare aspect van de PPMO is dat, omdat het een gen tot zwijgen brengt in plaats van de bacteriën direct te doden, het minder waarschijnlijk is dat resistentiemechanismen worden geactiveerd. Om veilig te zijn, vindt Geller dat artsen de kansen moeten benutten door twee antimicrobiële stoffen of verbindingen tegelijk te gebruiken, om de kans te verkleinen dat een bacterie de behandeling overleeft.

Niets is perfect

Ondanks hun deugden zijn PPMO's niet zonder gebreken. Om te beginnen heeft het team van Geller bacteriën waargenomen die resistentie vertonen tegen het peptidegedeelte van het molecuul. De sterkte en frequentie van resistentie verschilt sterk op basis van het gebruikte peptide.

Buiten het cellulaire niveau zijn er nog andere nadelen. Geller benadrukt dat het geen breedspectrumoplossingen zijn, omdat een PPMO is ontworpen om zich op een specifiek gen te richten, een arts zal de exacte aandoening moeten kennen. In gevallen waarin een patiënt een langdurige ziekte heeft, zoals tuberculose, zou een arts precies weten waar hij zich op moet richten. Als de arts niet zeker weet wat de oorzaak van de ziekte is, zou de PPMO vrijwel nutteloos zijn.

Ten slotte heeft het project van Geller te maken met dezelfde beperkingen als elk medisch onderzoek: tijd en geld. Hoewel zijn team snel een PPMO kan produceren, wijst Geller erop dat het molecuul onderworpen zal zijn aan hetzelfde regelgevingsproces dat elk medicijn moet doorlopen voordat het op mensen kan worden gebruikt. "Het duurt vele jaren om deze verbindingen daadwerkelijk te testen en te ontwikkelen om ze effectief en veilig te maken, zodat ze uiteindelijk op mensen kunnen worden getest", zegt hij. “We zitten nog in de ontwikkelingsfase.”

Het testproces zal zo lang duren als nodig is, maar het zwaard boven ons hoofd bungelt steeds gevaarlijker. De strijd tegen superbacteriën is niet nieuw. Het front van de mensheid kruipt al jaren terug en de vijand kruipt over de poorten. Het zal alle vindingrijkheid van de medische wereld vergen om het tij te keren, en zonder verstandige besluitvorming van politici en de samenleving als geheel, is zelfs dat misschien niet genoeg.


Bekijk de video: eerste leven: van bacterie tot meercellige (Januari- 2022).