Van alle antibiotica die in de kliniek worden gebruikt, wordt ongeveer 25 procent door schimmels geproduceerd, 65 procent door bacteriën die we actinomyceten noemen en 10 procent door andere bacteriën. Van de antibiotica geproduceerd door de familie van de actinomyceten komt het merendeel uit de streptomyceten. Dit zijn schimmelachtige bodembacteriën die groeien als draden (hyfen) en zich vermenigvuldigen via spoorvorming.
De productie van antibiotica hangt samen met de levenscyclus van deze bacteriën. Wanneer de voedingsstoffen in de bodem opraken, vormt de bacterie luchtdraden om sporenvorming mogelijk te maken, vergelijkbaar met het vruchtlichaam van een paddenstoel. De bouwstenen hiervoor verkrijgt de bacterie door zijn oude draden in de bodem af te breken. Deze voedingsstoffen in een nutriëntarme omgeving trekken andere vrij bewegende bacteriën aan die sneller kunnen groeien. Om deze competitie toch te kunnen winnen, produceert de streptomyceet antibiotica.
Bijna elke streptomyceet produceert dus antibiotica en soms wel vier of vijf verschillende. Hetzelfde geldt voor veel schimmels. Het grootste probleem is echter dat het ‘laaghangende fruit’ nu wel is geplukt en het steeds moeilijker en dus kostbaarder wordt om nieuwe antibiotica te vinden. Antibiotica die ontdekt werden rond 1940 komen in 1-10 procent van alle streptomyceten voor, het in 1953 ontdekte vancomycine al in 1 op 100,000 en daptomycine, ontdekt begin jaren tachtig, slechts in 1 op 10 miljoen. Het wordt dus steeds moeilijker om nieuwe verbindingen te vinden, dit tot grote frustratie van de farmaceutische industrie.
De tegenstrijdigheid is dat van alle natuurstoffen vermoedelijk pas 1-3 procent gevonden is. Ten eerste is 99 procent van alle micro-organismen niet te kweken in het laboratorium en dus ook nog niet gescreend. Ten tweede produceren veel micro-organismen geen antibiotica in het laboratorium omdat de omstandigheden teveel afwijken van die in de bodem waar ze vandaan komen. Dat worden ook wel ‘slapende antibiotica’ genoemd, die dus ‘wakker’ gemaakt moeten worden. Een vergelijkbaar probleem is dat van sommige antibiotica zo weinig wordt gemaakt dat ze geen zichtbare activiteit hebben en dus ook worden gemist bij screening.
Nieuwe bronnen van antibiotica en ‘niet kweekbare’ micro-organismen
Voor het vinden van nieuwe natuurstoffen is biodiversiteit een belangrijke sleutel tot succes. Antibioticum-producerende micro-organismen komen overal voor, van de droogste woestijn tot de hoogste bergtoppen en in de modder kilometers onder de zeespiegel. En veel onontgonnen biodiversiteit ligt besloten in de niet kweekbare micro-organismen. De Duitse biochemicus Jörn Piel en collega’s hebben recentelijk de Entotheonella-bacterie ontdekt, die in symbiose leeft met sponzen en complexe peptide-antibiotica produceert. Maar hoe exploiteer je een niet te kweken bacterie?
Metagenomics is daarbij een belangrijke technologie: DNA wordt uit grond geïsoleerd en in zogenoemde DNA-bibliotheken gestopt, die vervolgens in een ander micro-organisme tot expressie worden gebracht. Echter, het probleem blijft bestaan dat deze antibiotica niet onder laboratoriumomstandigheden worden gemaakt. Daarom heeft de onderzoeksgroep van de Amerikaanse biochemicus Kim Lewis de ‘iChip’ ontwikkeld: een chip met microkweekkamertjes die in de grond wordt geplaatst waar de bacterie vandaan komt, zodat deze in zijn vertrouwde omgeving verder groeit. Zo is een nieuwe bacterie ontdekt die het antibioticum teixobactine produceert, dat qua werkingsmechanisme lijkt op dat van vancomycine, maar waar voorlopig nog geen resistentie tegen bestaat.
Voor de farmaceutische industrie geldt echter dat screening op grote(re) schaal moet kunnen gebeuren. Een veelbelovende ontwikkeling is de combinatie van synthetische biologie en bioinformatica. Veel antibiotica worden gemaakt door een complexe machinerie van eiwitten, waarvan de genen liggen op een groot stuk DNA, een zogenaamd gencluster. Die genclusters kunnen worden opgespoord door het sequencen van DNA-bibliotheken en bioinformatica, waarna het gencluster in het laboratorium kan worden gesynthetiseerd. Het is nu nog te kostbaar om dit op grote schaal te doen, maar wellicht dat we in de toekomst honderden of zelfs duizenden genclusters kunnen synthetiseren, waarna een geoptimaliseerd micro-organisme zorgt voor de productie. Zo kan uit één theelepel grond wellicht honderden antibiotica worden gehaald en op hun werkzaamheid worden getest.
Het wakker maken van slapende antibiotica
In 2002 werd de DNA-sequentie van de modelstam Streptomyces coelicolor gepubliceerd, door een team onder leiding van de Britse geneticus Sir David Hopwood. Eén van de grootste openbaringen was dat er genclusters werden gevonden voor het aanmaken van antibiotica, waarvan het bestaan nooit was vermoed. Dit ondanks dat duizenden wetenschappers al aan deze bacteriestam hadden gewerkt en er al vier antibiotica waren ontdekt. Inmiddels is van één van de genclusters aangetoond dat het codeert voor een nog onbekend antibioticum. Dit was een cruciale ontdekking die wetenschappers ervan doordrong dat ook veel bestudeerde organismen nog nieuwe antibiotica kunnen produceren. Het ontsluiten van de genclusters voor dit soort antibiotica zal moeten gebeuren door de signalen te vinden die in de natuurlijke bodemomgeving leiden tot hun activering.
Een probleem is dat bacteriën in het laboratorium in afzondering worden gekweekt, terwijl in bacteriële gemeenschappen signalen worden geproduceerd die allerlei chemische syntheseroutes aanzetten. Recente studies laten zien dat onder voedingsarme omstandigheden streptomyceten antibiotica gaan produceren in de strijd om voedsel, terwijl ze op rijke voedingsbodems elkaar tolereren en sociale interacties aangaan. Het blijkt uit recente publicaties dat co-cultivering inderdaad een heel effectieve strategie kan zijn bij het vinden van nieuwe moleculen en de voorspelling is dat ecologie een steeds belangrijker thema wordt in de zoektocht naar antibiotica. De uitdaging is nu om systemen op te zetten die dit ook op industriële schaal mogelijk maken.
Om succesvol te screenen, moeten deze chemische signalen, ofwel moleculaire schakelaars, worden ontdekt om slapende antibiotica te activeren. Omdat streptomyceten veel antibiotica produceren tijdens de afbraak van hun oude celmassa, hebben we gekeken of de bouwstenen die daarbij vrijkomen als signalen werken. De bacteriële celwand is opgebouwd uit twee suikers, N-acetylglucosamine en N-acetylmuraminezuur, die aan elkaar gekoppeld worden tot een sterke structuur. Deze suikers zijn zeer energierijk en bij recycling van de eigen celwand komen deze verbindingen vrij.
Wat blijkt? Als we N-acetylglucosamine toevoegen aan het kweekmedium verdwijnt de rem op de productie van een aantal antibiotica en produceren de streptomyceten tevens antibiotica die normaal niet gemaakt worden. Oftewel, N-acetylglucosamine is een moleculaire schakelaar voor het aanzetten van de productie van antibiotica. Toepassing hiervan levert ook daadwerkelijk nieuwe verbindingen op die op dit moment op hun waarde worden onderzocht. Dit geeft het belang aan van het begrijpen van de biologische processen om tot nieuwe oplossingen te komen.
Blik op de toekomst
Veel van het onderzoek naar antibiotica heeft zich in de afgelopen decennia verplaatst naar universiteiten en er is een sterke trend van bundeling van krachten, mede ingegeven door multinationale financiering, bijvoorbeeld met EU-geld. Momenteel wordt er onderzocht wat de mogelijkheden zijn om in Nederland de krachten te bundelen in een onderzoekscentrum gericht op nieuwe antibiotica en op resistentiebestrijding, in samenwerking met bedrijven. De ontwikkeling van nieuwe technologieën samen met de nieuwe biologische, chemische en ecologische inzichten en goede samenwerking tussen industrie en academia moeten ervoor zorgen dat we ook in de toekomst nieuwe antibiotica kunnen blijven ontwikkelen om problemen met antibioticaresistentie het hoofd te bieden.