Zeg maar dag tegen biofilm

Wanneer medische implantaten geïnfecteerd raken, vormt zich een laag schadelijke bacteriën op het oppervlak van het implantaat: een biofilm. Een team van 14 gepassioneerde BSc en MSc studenten van de Universiteit van Groningen en de Minerva Art Academy, doet mee aan de International Genetically Engineered Machine Competition (iGEM) om dit probleem aan te pakken. Van 2 tot 5 november zullen ze naar Parijs reizen om hun eindproject te presenteren aan een panel van experts op het gebied van synthetische biologie. Hun naam? Bye-o-film.

Science Newsroom | Myrna Kooij

Met een snel vergrijzende bevolking en een toenemening van obesitas worden medische implantaten steeds vaker gebruikt om versleten gewrichten te vervangen. Volgens het team werden er in 2022 maar liefst 87.884 gewrichtsvervangende operaties uitgevoerd in Nederland, waarbij 2% van de patiënten die dit soort ingrepen ondergingen, infecties ontwikkelden die gerelateerd zijn aan implantaten. Een infectie kan leiden tot de vorming van een laag biofilm op het implantaat. Deze laag bestaat uit een verzameling schadelijke bacteriën die het omringende weefsel infecteren. Wanneer dit gebeurt, is een herzieningsoperatie nodig om de infectie te vertragen en te behandelen – een dure en ingrijpende methode. Bovendien zijn deze infecties moeilijk te detecteren en te behandelen met antibiotica, omdat de betrokken bacteriën resistent kunnen worden tegen antibiotica. Daarom presenteert de vorming van biofilm zich als een interessant probleem dat moet worden aangepakt.

"Ik had net een vak over chemische biologie gehad en dacht dat we hier misschien iets van konden gebruiken."

Bye-o-film

Het team begon in februari met het brainstormen over mogelijke projectonderwerpen. Ze kozen er uiteindelijk voor om te werken met biosensoren omdat ze er al enige kennis over hadden. Teamlid Ingrid Budau kwam met het idee van medische implantaten na een gesprek met een vriend hierover. Ze voegt toe: "Ik had net een vak over chemische biologie gehad en dacht dat we hier misschien iets van konden gebruiken."

Het team werkte gezamenlijk aan verschillende onderdelen van het productontwerp. Uiteindelijk kwamen ze met het idee van een biosensor die de infectie in een implantaat kan detecteren en behandelen om zo definitief afscheid te nemen van de vorming van biofilm. Hun naam, Bye-o-film, was geboren.

Biosensor

Het team ontwierp een biosensor op basis van lichtgevende eiwitten met een biologisch en elektronisch onderdeel: het detecteert een biologisch signaal (een biologische stof) en transformeert dit in een elektronisch signaal. Een voorbeeld van een veelvoorkomende biosensor is het apparaat dat door diabetes patiënten wordt gebruikt om hun bloedglucosewaarden te meten. Teamlid Thomas Westerhuis legt uit dat hun sensor "in staat is om te communiceren met de bacteriën die een implantaat gaan infecteren." Het meet de aanwezigheid van cyclisch-di-GMP, een molecuul dat de vorming van een biofilmlaag signaleert. Wanneer dit molecuul wordt opgepikt door de sensor, begint deze licht te produceren. Dit licht kan worden opgevangen door het elektronische component dat de informatie doorstuurt naar je telefoon. Voor de biosensor gebruikte het team een promotor van een Chinees iGEM-team uit 2022 dat moleculen kan waarnemen die worden afgescheiden door infectieuze E. coli-cellen tijdens de vorming van een biofilm. Voor de biosensor gebruikte het team een promotor van een Chinees iGEM-team uit 2022 die moleculen kan detecteren die worden uitgescheiden door infectieuze E. coli-cellen tijdens de vorming van een biofilmlaag.

Het Bye-o-film-team ontwikkelde ook hun eigen software voor een aanvullende app die de patiënt kan waarschuwen wanneer een biofilmlaag wordt gevormd. Een melding instrueert hen om een arts raad te plegen voor een controle van hun implantaat. Daarnaast vormen geïntegreerde menselijke praktijken een belangrijk onderdeel van hun project. Het team praatte met onderzoekers, hield enquêtes onder patiënten en ontving feedback van specialisten, wat ze allemaal hebben geïmplementeerd in het uiteindelijke ontwerp van hun biosensor.

"Het is een engineeringwedstrijd en bij engineering heb je een prototype. Je test, je lost problemen op. Dingen zullen niet meteen werken, ook niet de tweede keer, en in ons geval ook niet de derde of vierde keer, maar dat is het proces.”

Hun gerealiseerde prototype werkt in een laboratoriumomgeving, maar moet nog verder worden verbeterd om daadwerkelijk infecties bij patiënten met medische implantaten te detecteren en behandelen. Westerhuis legt uit: "We wilden het bewijs leveren dat we een biologisch signaal kunnen genereren en overbrengen naar een elektronisch signaal en dit echt naar iemands telefoon kunnen sturen." Er zijn nog enkele zaken die moeten worden uitgewerkt, zoals het genereren van de lichtgevende eiwitten in de weefselcellen en enkele problemen met de promotor van het vorige Chinese iGEM-team die ze gebruikten. Budau vertelt: "Het werkte in hun omstandigheden en op hun manier. Toen wij het probeerden en het werkte niet, stortte onze wereld in." Ze bespraken dit met hun begeleiders en gingen terug naar het laboratorium om de biosensor opnieuw te ontwerpen. Thomas benadrukt dat de 'E' in iGEM staat voor 'engineered': "Het is een engineeringwedstrijd en bij engineering heb je een prototype. Je test, je lost problemen op. Dingen zullen niet meteen werken, ook niet de tweede keer, en in ons geval ook niet de derde of vierde keer, maar dat is het proces." Hij voegt eraan toe: "Het is ook een van de criteria van iGEM en het maakt deel uit van een project als dit." Volgend jaar kan een nieuw iGEM-team voortbouwen op de basis van het conceptontwerp van Bye-o-film en het verder ontwikkelen tot een eindproduct.

World Expo in Parijs

Van 2 tot 5 november zal het team naar Parijs reizen om hun project te presenteren tijdens de World Expo van synthetische biologie. Om hun Bye-o-film project in Parijs te promoten, zullen ze hun zelfontworpen t-shirts en stickers meenemen. Ze hebben hun 15 minuten durende video waarin ze hun project presenteren al ingestuurd. De jury van experts bekijkt deze video en gebruikt deze om hun project te beoordelen en te beslissen of ze een medaille of prijs verdienen. Op dit moment werkt het team nog aan het verfijnen van hun 5 minuten durende presentatie waarin ze de waarde van hun project presenteren. Weten ze de jury te overtuigen van hun waarde en gaan ze naar huis met een van de prijzen? Als je hun avontuur wil volgen, volg het Bye-o-film team dan op Instagram of LinkedIn en bekijk hun volledige project op hun wiki-pagina.

Sources:
Bye-o-film team en hun wiki-pagina