Verzuring helpt bacteriën om antibiotica te overleven

Zelfs bij hoge concentraties kunnen antibiotica niet iedere bacterie doden. Er zijn altijd een paar overlevenden, zelfs in een groep genetisch identieke bacteriecellen. Wetenschappers van de KU Leuven en de RUG hebben ontdekt wat de overlevers gemeenschappelijk hebben: er hoopt zich zuur op in hun cellen, waardoor de productie van nieuwe eiwitten stilvalt. Deze resultaten, die de behandeling van bacteriële infecties kunnen verbeteren, zijn op 27 januari gepubliceerd in Nature Communications.

Bacteriën en andere micro-organismen kunnen resistent worden tegen geneesmiddelen, wat een serieus probleem is. Het ontwikkelen van nieuwe antimicrobiële middelen is een oplossing, en het is ook mogelijk resistentie terug te dringen via een effectievere inzet van de bestaande middelen. Maar de allereerste stap in de ontwikkeling is nog maar slecht begrepen, aldus Bram van den Bergh, postdoc bij het Centrum voor Microbiologie bij het VIB – KU Leuven: ‘Cellen moeten de eerste behandeling overleven voordat ze resistent kunnen worden. Ik wilde daarom begrijpen waarom deze cellen overleven.’

Evolutie

In eerder werk had Van den Bergh al gezien dat in gekloonde kweekjes van bacteriën (waarin alle cellen genetisch identiek zijn) er altijd een paar cellen de behandeling met antibiotica overleven. ‘Soms een op de duizend cellen, of zelfs een op de honderdduizend. We hebben die overlevers opgekweekt en opnieuw behandeld, om zo via evolutie bacteriën te krijgen die meer tolerant voor antibiotica zijn.’ Al na een paar dagen van dit soort geleide evolutie via behandeling en herstel bleek tot 50 procent van de cellen een behandeling met antibiotica te overleven.

In het nieuwe onderzoek is genetisch onderzoek gedaan bij de overlevende cellen, waaruit bleek dat ze allemaal een mutatie hebben in een cruciaal systeem: Complex I. Dit is een cruciaal onderdeel van de machinerie voor energieproductie in de cel, in bacteriën maar ook in onze eigen cellen. De mutatie blokkeert specifiek het vermogen van dit complex om positief geladen waterstofionen uit de cel te pompen. Dat kan leiden tot verzuring van cellen, omdat ze de opbouw van dit zuur niet meer kunnen tegengaan.

‘We vroegen ons af hoe dit tot een betere overleving kan leiden’, zegt Van den Bergh. De weg naar de oplossing begon door een toevallige ontmoeting op een congres in Zwitserland tussen zijn begeleider Jan Michiels en Matthias Heinemann, specialist in celstofwisseling en hoogleraar moleculaire systeembiologie aan de RUG. Michiels gaf een lezing over de verzuring van cellen, Heinemann presenteerde gegevens die lieten zien dat een probleem in de stofwisseling kan leiden tot tolerantie voor antibiotica. De twee wetenschappers concludeerden dat ze hetzelfde fenomeen bekeken van twee verschillende kanten.

Zuurgraad

Dit vond plaats in 2018 en het kostte nog heel veel labwerk van een aantal wetenschappers om die observaties met elkaar te verbinden en te bepalen hoe cellen aan de dodelijke werking van antibiotica kunnen ontsnappen. Heinemann: ‘Iedere verstoring van de stofwisseling leidt tot een toename van zuur in de cel. Maar wanneer Complex I niet meer goed werkt verzuurt de cel steeds meer. Uiteindelijk zorgt dit ervoor dat alle processen waar eiwitten bij betrokken zijn stilvallen, net als de productie van nieuwe eiwitten. Omdat de gebruikte antibiotica werken door de eiwitproductie te verstoren, zijn die dan dus machteloos.’

Op deze manier konden de hyper-tolerante mutanten die in het lab ontstaan waren de behandeling overleven. Zodra de antibiotica verdwenen herstelde de verstoring van de stofwisseling, verminderde de zuurgraad en kwamen de cellen weer op gang. Van den Bergh: ‘We hebben nog niet onderzocht hoe ze vervolgens echte resistentie ontwikkelen, maar er zijn verschillende routes daarvoor. Stress veroorzaakt bijvoorbeeld een toename in de mutatiesnelheid. Het kan ook een simpele kwestie van aantallen zijn: meer cellen overleven de behandeling die daardoor langer moet duren, dus de kans neemt toe dat één van die cellen resistent wordt.’ Deze ontdekking kan helpen bij de strijd tegen antibiotica resistentie, bijvoorbeeld door bestaande geneesmiddelen die de zuurgraad in cellen verminderen toe te voegen aan de behandeling.

Balans

En Heinemann en Van den Bergh denken dat er nog meer te ontdekken valt over de mechanismen die voor antibiotica tolerantie zorgen. Van den Bergh: ‘Er zijn ook andere typen hyper-tolerante mutanten ontstaan in onze experimenten, de meeste met mutaties in transportsystemen voor ionen of geladen moleculen. Ik zou graag meer willen weten over hoe het transport en de balans van zuren de tolerantie voor antibiotica beïnvloedt.’

Het onderzoek voor de publicatie in Nature Communications is hoofdzakelijk uitgevoerd op de KU Leuven en de RUG, met bijdragen van wetenschappers van de Albert-Ludwigs-Universiteit in Freiburg, Duitsland, en de Proteomics Core Facility, Universiteit van Basel, Zwitzerland.

Referentie: Bram Van den Bergh, Hannah Schramke, Joran Elie Michiels, Tom E.P. Kimkes, Jakub Leszek Radzikowski, Johannes Schimpf, Silke R. Vedelaar, Sabrina Burschel, Liselot Dewachter, Nikola Lončar, Alexander Schmidt, Tim Meijer, Maarten Fauvart, Thorsten Friedrich, Jan Michiels, Matthias Heinemann: Mutations in respiratory complex I promote antibiotic persistence through alterations in intracellular acidity and protein synthesis. Nature Communications, 27 januari 2022.