Gelukkig hebben artsen naast penicilline nog andere antibiotica achter de hand, bijvoorbeeld de cefalosporines, Sio’s onderzoeksonderwerp. “Die worden hier vooral gebruikt als backup, en zijn daarom niet zo bekend, maar buiten Europa zijn ze heel populair”, vertelt de onderzoeker.
Gespannen ring
Cefalosporines zijn, net als penicillines, zogeheten bèta-lactam- antibiotica. Dat wil zeggen dat het centrale onderdeel van het molecuul een ring van drie koolstofatomen en één stikstofatoom is. “Zo’n bèta-lactamring is chemisch vrij uitzonderlijk, er staat behoorlijk veel spanning op”, zegt Sio.
Het is juist deze ring die het antibioticum zijn bacteriedodende werking verleent. De ring past precies in bepaalde bacterie-eiwitten, waardoor hij aangezien wordt voor een bouwstof voor de celwand. Eenmaal vastgepakt komt de bèta-lactamring niet meer los van het eiwit, dat daardoor onklaar raakt. Uiteindelijk leidt dit tot een verzwakte celwand en het uit elkaar klappen van de bacterie. Missie geslaagd.
“Natuurlijke bèta-lactam-antibiotica zijn meestal niet meteen geschikt om te gebruiken”, zegt Sio. Ze zijn instabiel, werken niet lang genoeg, of moeten worden geïnjecteerd omdat ze als tablet in de maag zouden worden afgebroken. Dus moet je zorgen dat je afgeleiden krijgt, moleculaire variaties op hetzelfde thema. Die hebben nog wel de werkzame bèta-lactamring, maar de rest van het molecuul, de ‘zijgroepen’ die aan de ring hangen, zijn veranderd om het antibioticum handelbaarder of effectiever te maken.
“Dat verbeterproces gaat heel goed met penicillines, maar bij cefalosporines is het een stuk lastiger. Daar zit een heel rare zijgroep aan, die er moeilijk af te halen is”, zegt Sio. In de huidige antibioticaproductie worden voor die knipstap chemische processen gebruikt, die veel milieu-afval opleveren en veel geld kosten. “Daar willen ze eigenlijk vanaf”, weet de onderzoeker. Een biochemisch proces zou veel schoner en goedkoper zijn.
Het promotieonderzoek van Charles Sio is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW. Inmiddels heeft hij ook een Valorisation Grant gekregen om een haalbaarheidsstudie te doen naar de technologische en commerciële haalbaarheid van zijn verdere plannen met de enzymen. Foto: Ivar Pel
Gerichte evolutie
Het idee achter zijn onderzoek was om voor de afknipstap ‘cefalosporine-acylases’ te gebruiken. Sio: “Dat zijn enzymen die het min of meer per ongeluk kunnen, al kunnen ze het dan ook niet heel erg goed.” En daar komt Darwin opnieuw om de hoek kijken. De moleculair bioloog gebruikte directed evolution, ofwel gerichte evolutie, om de acylases te verbeteren.
Enzymen bestaan uit slierten aaneengeregen bouwstenen of aminozuren, gekozen uit een repertoire van twintig stuks. De aminozuurvolgordes bepalen de vorm en de functie van het eiwit. “Als je één aminozuur verandert, of muteert, hoeft dat voor de werking niets uit te maken. Het kan echter ook zijn dat de eigenschappen juist heel sterk veranderen”, zegt Sio.
Met hulp van biochemische trucs maakte hij miljoenen varianten van het eiwit, ieder met één of twee veranderde aminozuren. “En dan kijk je gewoon welke het beter gaat doen.” Sio bracht de gemuteerde eiwitten in bij bacteriën, en koppelde de lastige cefalosporine-zijketen aan voedingsstoffen die hij de bacteriën vervolgens als eten voorzette. Alleen bacteriën die de zijketen weer los konden maken kregen op deze manier te eten, en die waren dus sterk in het voordeel. “We lieten ze op petrischaaltjes groeien, en uit tien miljoen bacteriën zie je dan al gauw zo’n honderd kolonies opbloeien die zich lekker voelen. Dat zijn degenen die het best kunnen knippen. Je eerste generatie.”
Vervolgens ging Sio als een klassieke kweker aan het kruisen. De best uit de bus komende aminozuurvolgorden combineerde hij met elkaar tot nieuwe versies, die opnieuw getest werden. Uiteindelijk bleken er vijf aminozuren van cruciaal belang voor de activiteit.
“Doorkwekend met zoveel mogelijk varianten, zijn we uiteindelijk tot een 36 keer zo hoge activiteit gekomen”, vat Sio het resultaat samen van vier jaar onderzoek, overigens met medewerking van collega-promovendus Linda Otten.
“In principe is dat voldoende voor de industrie”, zegt de onderzoeker, “we zitten op het break-even-punt tussen het biochemische en het oude chemische proces, maar daarop gaan mensen niet hele nieuwe fabrieken bouwen. Bovendien zijn we nog druk bezig om het proces verder te verbeteren.”
Foto: Ivar Pel
Startend bedrijf
STW-partners als DSM, ook deelnemer in de STW- gebruikersscommissie, zijn wel geïnteresseerd. De onderzoeksgroep, die octrooi heeft genomen op vondsten uit het onderzoek, heeft een spin-off-bedrijf opgericht om verder onderzoek te financieren, en de resultaten van het project op de markt te brengen. “We praten met verschillende partijen, maar zijn nog enorm in de opstartfase. Zo hebben we nog niet eens een naam”, zegt Sio, al heeft hij al wel vlekkeloos zijn verkoopargumenten op een rijtje: “Wij kunnen enzymen maken waarmee antibioticaproductie veiliger, milieuvriendelijker en winstgevender kan worden.”
Zelf is Sio overigens niet al te belust op die winst. “Dan had ik met mijn opleiding tot apotheker wel wat anders kunnen doen. Volgens veel vrienden die de apotheek zijn ingegaan, heb ik hier als onderzoeker toch echt iets fout gedaan. Maar ik vond, en vind, het onderzoek nog altijd erg uitdagend en leuk. En je kunt toch het best doen wat je leuk vindt.”
De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2005 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.