Om goed te kunnen reageren op hun omgeving ‘overleggen’ bacteriën met elkaar via chemische communicatie. Ze scheiden een signaalmolecuul uit en tegelijkertijd meten ze de concentratie van dat molecuul in hun omgeving. Dit proces heet quorum sensing. Wanneer veel bacteriën het signaalmolecuul uitscheiden komt de concentratie boven een drempelwaarde uit. Dat is het teken voor de bacteriën om in actie te komen. Ze gaan bijvoorbeeld gifstoffen tegen vijanden produceren of ze klonteren samen tot een beschermende, ondoordringbare biofilm. Dat laatste kan voor grote problemen zorgen bij infecties, want een biofilm is moeilijk aan te pakken.
“Als we dit proces van quorum sensing kunnen beïnvloeden, is het mogelijk daarmee ernstige infecties te behandelen”, zegt chemicus Mickel Hansen die werkt in de onderzoeksgroep van hoogleraar Ben Feringa van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG). “Het is ook nuttig voor onderzoek naar hoe quorum sensing precies werkt.” Dan is het handig om een stof te hebben waarmee de onderzoeker op commando het proces kan versterken of verzwakken. Daarom wilden Hansen en zijn collega’s een lichtgevoelige ‘schakelaar’ – een molecuul dat onder invloed van licht van vorm verandert – toevoegen aan een signaalmolecuul dat bacteriën gebruiken bij quorum sensing.
Koppeling
Het nieuwe combinatiemolecuul is opgebouwd uit een kop en een flexibele staart van koolstofatomen. Kop en staart zijn verbonden via een koppelstuk. Het originele plan was om de schakelaar in de staart te zetten. “Daarvoor moesten we de aangepaste staart weer aan de kop zetten met behulp van het koppelstuk. Maar toen kregen we een zeer instabiel tussenproduct, waardoor het onmogelijk leek die koppeling uit te voeren.” De oplossing vonden ze in een nieuw soort koppelingsreactie, waardoor het tussenproduct stabieler werd.
Via deze route konden Hansen en masterstudent Jacques Hille een collectie van zestien verschillende verbindingen maken die in potentie quorum sensing kunnen stimuleren of remmen. Allemaal zijn ze uitgerust met de lichtgevoelige schakelaar. De moleculen zijn gebaseerd op een van de quorum sensing-systemen van de bacterie Pseudomonas aeruginosa, die vijf van dit soort systemen bezit. Samen met de onderzoeksgroep van Arnold Driessen, hoogleraar moleculaire microbiologie aan de RUG, is de genetische informatie van dit quorum sensing-systeem overgezet naar een E.coli-bacterie. Op die manier was het mogelijk om het effect van de zestien nieuwe moleculen te testen zonder last te hebben van de andere quorum sensing-systemen.
Gebogen staart
Uit deze tests bleek welke delen van het molecuul echt belangrijk zijn voor het reguleren van quorum sensing. Het optimale aantal koolstofatomen in de staart blijkt vier te zijn. Door de schakelaar buigt de staart zich als er licht op schijnt. 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 kunnen hebben op de activiteit, al weten we nog niet precies hoe dat werkt.”
Eén molecuul sprong er duidelijk uit. Dit molecuul remt de quorum sensing sterk, maar na beschijnen met licht, waardoor de staart buigt, wordt dit proces juist sterk gestimuleerd. Het verschil in activiteit was ongeveer een factor 700. “Zo’n groot effect is, voor zover wij weten, nog nooit gevonden bij dit type lichtgevoelige schakelbare moleculen”, zegt Hansen. 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.”
Bron:
Mickel J. Hansen, Jacques I.C. Hille, Wiktor Szymanski, Arnold J.M. Driessen, Ben L. Feringa, Easily accessible, highly potent, photocontrolled modulators of bacterial communication, Chem (2019), doi:10.1016/j.chempr.2019.03.005