Hebreeuwse Universiteit onderzoekers heeft met behulp van een nieuwe methode om subgroepen te vergelijken de geheimen van bacteriën ontrafeld

Neutrofiele en methicilline-resistente Staphylococcus aureus-bacteriën. Foto National Institutes of Health

Onderzoekers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem zeggen dat ze een baanbrekende techniek hebben ontwikkeld waarmee verborgen verschillen tussen ogenschijnlijk identieke bacteriën kunnen worden ontdekt. ​​Dit kan mogelijk nieuwe mogelijkheden bieden om bacteriële ziektes te genezen.

"Onze methode, Microcolony-seq, is belangrijk omdat deze ons in staat stelt de verschillende subgroepen bacteriën die infecties veroorzaken te karakteriseren", vertelde Dr. Raya Faigenbaum-Romm, een postdoctoraal onderzoeker.

Door met deze nieuwe tool diverse microkolonies van bacteriën afkomstig van een menselijke infectie te onderzoeken, krijgen wetenschappers beter inzicht in waarom antibiotica en vaccins soms falen. Deze ontdekking kan de weg wijzen naar preciezere behandelingen.

Dr. Raya Faigenbaum-Romm, links, en prof. Nathalie Q. Balaban van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. Foto Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem

"Subpopulaties in bacteriën die afkomstig zijn van een menselijke infectie behouden hun specifieke gedrag gedurende ongeveer tien uur groei in het laboratorium", aldus Faigenbaum-Romm. "Dit betekent dat, naar onze kennis, de verschillende toestanden die ze in de patiënt hadden, stabiel genoeg blijven om buiten het lichaam te bestuderen, wat bijzonder interessant en verrassend is."

Het onderzoek, gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Cell , werd geleid door Faigenbaum-Romm onder supervisie van prof. Nathalie Q. Balaban van het Racah Institute of Physics, samen met professoren Ilan Rosenshine van de Faculteit Geneeskunde van de Hebreeuwse Universiteit en Maskit Bar-Meir van de Faculteit Geneeskunde en het Shaare Zedek Medisch Centrum.

Bacteriën zijn onzichtbaar voor het blote oog. Om microscopisch kleine organismen te bestuderen, kweken wetenschappers bacterieculturen in een gecontroleerde laboratoriumomgeving.

Individuele bacteriën delen zich razendsnel, legde Faigenbaum-Romm uit. In het microbiologisch laboratorium kweken de wetenschappers ze op agar, wat "een soort gelei met voedingsstoffen" is.

Agar biedt een stabiel oppervlak waarop bacteriën kunnen groeien in afzonderlijke clusters, kolonies genoemd.

Illustratie van microkoloniesequentie. Foto Raya Faigenbaum / Hebrew Universteit Jerusalem

De Microcolony-seq-methode isoleert vervolgens de minuscule kolonies, waardoor onderzoekers materiaal kunnen verzamelen van vele genetisch identieke cellen die allemaal afkomstig zijn van dezelfde bacterie. Deze aanpak geeft een duidelijker beeld van naast elkaar bestaande subpopulaties dan wanneer afzonderlijke bacteriële cellen worden geanalyseerd, zelfs met geavanceerde RNA-sequentiemethoden voor individuele cellen. Het maakt het ook mogelijk om genetische verschillen tussen kolonies te identificeren.

Wetenschappers kunnen dan begrijpen waarom twee cellen er anders uitzien of anders reageren.

Soms zijn er genetische mutaties. Soms blijven de cellen hetzelfde, maar komen de genen anders tot expressie – bijvoorbeeld een subpopulatie met een hoger ijzermetabolisme – zonder dat er iets verandert in hun DNA-sequentie.

De onderzoekers bestudeerden kleine bacteriekolonies terwijl ze zich in de snelle groeifase bevonden en naast elkaar op dezelfde agarplaat groeiden. Dit betekent dat alle kolonies exact dezelfde omgeving ervoeren.

De wetenschappers konden de kolonies vervolgens analyseren terwijl ze nog actief aan het delen waren. Met deze methode ontdekte het team onverwachte resultaten.

Pathogenen zoals E. coli, die in de urinewegen of in de darmen voorkomt, en Staphylococcus aureus, een bacteriestam die dodelijke infecties kan veroorzaken, bleken elk op te splitsen in stabiele subpopulaties.

Sommige afstammingslijnen werden geactiveerd om zich aan de gastheercellen te hechten, terwijl andere de signalen in genen activeerden die de beweeglijkheid, beweging of overleving in barre omstandigheden bevorderden.

"In het laboratorium toonde Microcolony-seq aan dat urineweg- en bloedbaaninfecties naast elkaar bestaande subgroepen bacteriën kunnen bevatten", aldus Faigenbaum-Romm. "Voor Staphylococcus aureus, een ziekteverwekker die kan leiden tot een levensbedreigende bloedinfectie, sepsis of de dood, identificeerden we drie subpopulaties bij dezelfde patiënt, elk met een andere manier om zich aan gastheercellen te hechten."

Deze verschillende populaties vertoonden veranderingen die werden doorgegeven aan de volgende generatie middels wat Faigenbaum-Romm een ​​'geheugen' noemde.

Onderzoekers konden deze kleine microkolonies bestuderen en via hun herinneringen meer te weten komen over hun vorige toestand.

"Misschien zorgde dit geheugen ervoor dat de bacteriën in verschillende gastomgevingen konden overleven", legt Faigenbaum-Romm uit.

Ze zei echter dat toen de bacteriën geen voedingsstoffen meer hadden en de stationaire fase bereikten, het geheugen werd gewist, waardoor de populatie effectief werd gereset, zodat ze "allemaal weer hetzelfde werden."

"Een infectie is zelden een uniforme populatie bacteriën", aldus Balaban. "Het is eerder een coalitie van verschillende spelers, elk met zijn eigen sterke punten. Om therapieën te ontwikkelen die echt werken, moeten we ze allemaal begrijpen – en aanpakken."

Wanneer artsen standaard klinische testen uitvoeren, kijken ze meestal naar slechts één bacteriekolonie nadat de bacteriën zijn gestopt met groeien.

Als die kolonie niet de gehele bevolking vertegenwoordigt, kunnen artsen een behandeling voorschrijven die niet werkt tegen de verborgen subgroepen.

Urineweginfecties zijn bijvoorbeeld zeer terugkerende infecties, legde Faigenbaum-Romm uit. Hoewel de patiënt met antibiotica wordt behandeld, blijven de bacteriën groeien, soms zelfs tijdens de behandeling, omdat het medicijn "waarschijnlijk slechts op één subpopulatie is gericht, en mogelijk worden deze terugkerende infecties veroorzaakt door een andere subpopulatie die aan de behandeling is ontsnapt."

Dat zou kunnen verklaren waarom zoveel veelbelovende medicijnen en vaccins – met name tegen Staphylococcus aureus – in menselijke proeven niet succesvol zijn gebleken. Ze richten zich slechts op één subgroep bacteriën, waardoor de andere vrij spel hebben om problemen te veroorzaken.

"Onze methode helpt ons om de verschillende subgroepen te onderzoeken die de infectie veroorzaken", zei ze. "Deze ontdekking zou de manier waarop artsen bacteriële ziekten behandelen, kunnen veranderen."

Naast het bestrijden van infecties zou Microcolony-seq geheel nieuwe onderzoeksgebieden kunnen openen. Door wetenschappers een manier te geven om te bestuderen hoe bacteriën diversifiëren, zou de methode ook kunnen worden toegepast op schimmels, het darmmicrobioom – de biljoenen microben die in het lichaam leven – of zelfs industriële fermentatieprocessen die voedsel en medicijnen produceren.

"We behandelen bacteriën alsof ze allemaal hetzelfde zijn, maar ze zijn toch verschillend", aldus Faigenbaum-Romm. "Het onderzoek opent mogelijkheden voor een betere behandeling. Dit is mijn doel: niet alleen fundamenteel onderzoek doen, maar ook de volksgezondheid verbeteren.