Bacteriën te controleren met lichtgevoelige schakelaar

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben een door licht gecontroleerde schakelaar ingebouwd in een molecuul waarmee bacteriën informatie uitwisselen. Via dit molecuul controleren bacteriën verschillende processen in de cel, via een proces dat quorum sensing heet. Hierbij ‘overleggen’ de cellen met elkaar. Het molecuul met de schakelaar kan dit overleg stimuleren of juist remmen en daarmee is het een nuttig stuk gereedschap voor onderzoek naar communicatie tussen bacteriën en de gevolgen die dat heeft voor het activeren van genetische programma’s. De resultaten zijn op 15 april gepubliceerd in het tijdschrift Chem.

Om goed te kunnen reageren op hun omgeving ‘overleggen’ bacteriën met elkaar via chemische communicatie. Cellen scheiden een signaalmolecuul uit terwijl ze tegelijkertijd de concentratie ervan meten in hun omgeving. Wanneer veel cellen het signaalmolecuul uitscheiden komt de concentratie boven een drempelwaarde uit wat bepaalde genetische programma’s activeert, bijvoorbeeld voor het produceren van gifstoffen het vormen van een beschermende biofilm.

Schakelaar

‘Als we dit proces van quorum sensing zouden kunnen beïnvloeden is het mogelijk daarmee ernstige infecties te behandelen’, zegt organisch chemicus Mickel Hansen van de RUG. ‘Het zou ook nuttig zijn voor onderzoek naar hoe quorum sensing precies werkt.’ Om dit te bereiken is het handig om een stof te hebben die het proces kan versterken of verzwakken en die zelf is te controleren. Daarom wilden Hansen en zijn collega’s een lichtgevoelige schakelaar toevoegen aan een molecuul waarmee bacteriën het signaal voor quorum sensing afgeven. Dat gebeurde bij afdeling synthetische organische chemie, geleid door RUG-hoogleraar Ben Feringa.

Het molecuul is opgebouwd uit een kop en een flexibele staart van koolstofatomen. Kop en staart zijn verbonden via een zogeheten β-keto-amide. Het plan was om de schakelaar in de staart e zetten. ‘Daarvoor moesten we de aangepaste staart weer aan de kop zetten met behulp van de β-keto-amide. Maar het synthetische proces daarvoor produceert een zeer instabiel tussenproduct, waardoor het onmogelijk leek die koppeling uit te voeren.’

Feringa

Voortbouwend op de jarenlange ervaring in synthetische organische chemie die aanwezig is in de groep van Feringa vonden de onderzoekers een oplossing. Zij voerden een nieuw soort koppelingsreactie uit waarin het tussenproduct gestabiliseerd werd en slaagden er zo in verschillende met licht schakelbare moleculen te maken.

Samen met Masterstudent Jacques Hille maakten Hansen een ‘bibliotheek’ van zestien verschillende verbindingen die in potentie een stimulator of remmer van quorum sensing konden zijn. Allemaal waren ze uitgerust met de lichtgevoelige schakelaar. De moleculen zijn gebaseerd op een specifiek systeem voor quorum sensing van de bacterie Pseudomonas aeruginosa, die doorgaans zo’n vijf van dit soort systemen bezit. Samen met moleculair biologen uit het laboratorium van hoogleraar moleculaire microbiologie Arnold Driessen van de RUG zijn de genen voor het quorum sensing systeem overgezet naar een E.coli bacterie. Op die manier was het mogelijk de nieuwe moleculen te testen zonder dat verschillende systemen elkaar zouden storen.

Tests van het effect dat de verschillende moleculen hadden lieten zien welke delen van het molecuul echt belangrijk waren voor de controle op quorum sensing. Het optimale aantal koolstofatomen in de staart lag op vier. Door de schakelaar boog de staart zich als er licht op scheen. Opvallend genoeg bleek een rechte staart geen effect te hebben, terwijl een gebogen staart quorum sensing activeerde. Hansen: ‘Alles bij elkaar zagen we dat kleine veranderingen in het molecuul een groot effect kan hebben op de activiteit, al weten we nog niet precies hoe dat werkt.’

Gifstoffen

Zij vonden één molecuul dat de quorum sensing sterk remde maar na beschijnen met licht, wat de staart deed buigen, dit proces juist sterk stimuleerde. Het verschil in activiteit was ongeveer een factor 700. ‘Zo’n groot effect is, voor zover wij weten, nog nooit gevonden bij dit soort met licht schakelbare moleculen.’ Het maakt dit molecuul bij uitstek geschikt voor onderzoek naar de communicatie tussen bacteriën. ‘In onze proeven zagen we dat we met licht de productie van gifstoffen konden beïnvloeden in een Pseudomonas stam. Dat zal een krachtig stuk gereedschap zijn voor zowel klinisch als fundamenteel onderzoek naar het mechanisme van quorum sensing.’

Het onderzoek was een samenwerking tussen microbiologen van het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute (GBB) en organisch chemici van het Stratingh Institute for Chemistry, beide onderdeel van de Faculty of Science and Engineering van de RUG.

Referentie: Mickel J. Hansen, Jacques I.C. Hille, Wiktor Szymanski, Arnold J.M. Driessen, and Ben L. Feringa: Easily accessible, highly potent, photocontrolled modulators of bacterial communication. Chem, 15 April 2019.