Nieuwe, krachtige antimicrobiële verbinding ontdekt in bacterie uit oliebron

Microbiologen van de RUG hebben, in samenwerking met collega’s uit Litouwen, een nieuwe antimicrobieel peptide ontdekt. Het is een glycocine, een klein eiwit met daaraan een suikergroep, afkomstig uit een bacterie die bij relatief hoge temperaturen groeit. Het eiwitje is daarom stabiel bij hoge temperaturen. Verder is het gelukt de genen die nodig zijn om dit glycocine te maken over te brengen naar een gewone E. coli bacterie, waardoor het eenvoudiger te produceren en te onderzoeken is. Het glycocine zou nuttig kunnen zijn bij de productie van biobrandstof. De ontdekking is op 7 maart gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Door de ontwikkeling van antibiotica-resistentie is het belangrijk om te zoeken naar nieuwe antimicrobiële stoffen. Bacteriocines zijn kleine, giftige peptiden die bacteriën zelf produceren om de groei van concurrenten te remmen. Deze peptiden kunnen een alternatief vormen voor de klassieke antibiotica. Bacteriocines zouden ook nuttig kunnen zijn om te gebruiken bij vergisting op hoge temperatuur door thermofiele (warmte-minnende) bacteriën. Maar dan moeten die bacteriocines zelf stabiel zijn bij hoge temperaturen.

Mysterie

‘Daarom waren we geïnteresseerd toen bleek dat de thermofiele bacterie Aeribacillus pallidus, die is ontdekt in de bodem boven een oliebron in Litouwen, een antibacterieel peptide maakt’, zegt Oscar Kuipers, hoogleraar moleculaire biologie aan de RUG. Maar het was niet eerder gelukt om dat peptide te zuiveren en te identificeren. Daarom werkte promovendus Arnoldas Kaunietis van de universiteit van Vilnius twee jaar in het lab van Kuipers om het mysterie van dit eiwitje op te lossen. Hij is de eerste auteur van het artikel dat nu verschenen is.

Kaunietis analyseerde alle genetische informatie van de bacterie uit Litouwen met speciale software die in de groep van Kuipers is ontwikkeld, door Anne de Jong en Auke van Heel. Het softwarepakket, BAGEL4, zoekt naar clusters van genen die mogelijk nieuwe antibiotica maken. Op die manier ontdekte Kaunietis de genen die betrokken zijn bij de productie van het bacteriocine. Het product van die genen is toen pallidocine genoemd.

Suiker

Het antibacteriële peptide bleek een zogeheten glycocine te zijn, een klasse van peptiden die na productie in de cel worden aangepast. Dat gebeurt door er functionele groepen aan te verbinden, in het geval van glycocines is dat een suikergroep. ‘Er waren tot nu toe maar vijf glycocines bekend’, aldus Kuipers.

Om het onderzoek van het gen te vergemakkelijken zijn de genen voor de productie van pallidocine overgebracht naar een stam van de E. coli bacterie. ‘De genen werkten daar goed in, wat echt een doorbraak is. Het is namelijk moeilijk om een compleet cluster van genen uit een grampositieve bacteriestam goed te laten werken in een gramnegatieve bacterie.’ Deze twee typen bacterie hebben een verschillende celmembraan, waardoor uitscheiding van peptiden veelal anders verloopt.

Biobrandstof

Nadat het pallidocine was geïsoleerd konden de onderzoekers bevestigen dat het zeer stabiel is bij hoge temperaturen en dat het een sterk effect heeft op thermofiele bacteriën. En door BAGEL4 te laten zoeken naar genen die lijken op het cluster voor de productie van pallidocine zijn er twee vergelijkbare peptiden ontdekt in verschillende stammen van de Bacillus bacterie. Deze peptiden, die de namen Hyp1 en Hyp2 hebben gekregen, konden ook gemaakt worden in de E. coli stam. Kuipers: ‘Daarmee laten we zien dat dit expressiesysteem goed werkt voor verschillende glycosine, en dat het mogelijk is de peptiden door deze bacterie te laten maken.’

Pallidocine zou nuttig kunnen bij de productie van chemische bouwstenen of biobrandstof die plaatsvindt bij hoge temperatuur. Dat maakt het eenvoudiger om vluchtige stoffen als ethanol te winnen uit de vergister en het verkleint ook de kans op een infectie van de vergister met gewone bacteriën. Maar thermofiele bacteriën zijn wel een bedreiging. ‘Zowel pallidocine als Hyp1 lijken zeer actief te zijn tegen thermofiele bacteriën en sommige Bacillus soorten’, aldus Kuipers. En er zijn nog meer toepassingen mogelijk: ‘Besmetting met thermofielen is ook een probleem voor de voedingsindustrie.’

Arnoldas Kaunietis, Andrius Buivydas, Donaldas J. Čitavičius & Oscar P. Kuipers: Heterologous biosynthesis and characterization of a glycocin from a thermophilic bacterium. Nature Communications 7 March 2019