Prof. David Burstein en PhD-student Bruria Samuel. Foto Tel Aviv Universiteit
Een nieuwe studie van de Universiteit van Tel Aviv onthult hoe bacteriële verdedigingsmechanismen kunnen worden geneutraliseerd, waardoor de efficiënte overdracht van genetisch materiaal tussen bacteriën mogelijk wordt. De onderzoekers geloven dat deze ontdekking de weg kan vrijmaken voor de ontwikkeling van hulpmiddelen om de crisis van antibioticaresistentie aan te pakken en effectievere genetische manipulatiemethoden voor medische, industriële en milieudoeleinden te promoten.
De studie werd geleid door PhD-student Bruria Samuel van het lab van Prof. David Burstein aan de Shmunis School of Biomedicine and Cancer Research aan de Wise Faculty of Life Sciences van de Universiteit van Tel Aviv. Andere bijdragers aan het onderzoek zijn Dr. Karin Mittelman, Shirly Croitoru en Maya Ben-Haim van het lab van Prof. Burstein. De bevindingen werden gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature.
De onderzoekers leggen uit dat genetische diversiteit essentieel is voor de overleving en aanpassing van verschillende soorten als reactie op veranderingen in de omgeving. Voor mensen en veel andere organismen is seksuele voortplanting de belangrijkste drijfveer van de genetische diversiteit die nodig is voor overleving. Bacteriën en andere micro-organismen missen echter zo'n voortplantingsmechanisme. Niettemin, zoals blijkt uit de alarmerende snelheid waarmee antibioticaresistentie zich verspreidt onder bacteriële populaties, hebben bacteriën alternatieve mechanismen om de genetische diversiteit te behouden die nodig is voor overleving, waaronder de directe overdracht van DNA tussen bacteriën.
DNA-overdracht tussen bacteriën speelt een cruciale rol in hun overleving. Toch is een belangrijk aspect van dit proces onderbelicht gebleven: hoe kan de uitwisseling van genetisch materiaal zo wijdverbreid zijn, ondanks dat bacteriën een breed scala aan verdedigingsmechanismen hebben die zijn ontworpen om vreemd genetisch materiaal dat hun cellen binnendringt te vernietigen?
Het nieuwe onderzoek richt zich op een proces dat 'conjugatie' wordt genoemd, een van de belangrijkste mechanismen voor het overbrengen van DNA van de ene bacterie naar de andere. Tijdens conjugatie verbindt de ene bacteriële cel zich rechtstreeks met de andere via een klein buisje dat de overdracht van genetische materiaalfragmenten, bekend als plasmiden, mogelijk maakt. Prof. Burstein legt uit: 'Plasmiden zijn kleine, cirkelvormige, dubbelstrengs DNA-moleculen die worden geclassificeerd als 'mobiele genetische elementen'. Net als virussen verplaatsen plasmiden zich van de ene cel naar de andere, maar in tegenstelling tot virussen hoeven ze de gastheerbacterie niet te doden om de overdracht te voltooien.'
Als onderdeel van de natuurlijke uitwisseling bieden plasmiden vaak ontvangende bacteriën genetische voordelen. Veel genen voor antibioticaresistentie verspreiden zich bijvoorbeeld via plasmideoverdracht tussen bacteriën. Bacteriën hebben echter ook talloze verdedigingsmechanismen die erop gericht zijn om vreemd DNA dat hun cellen binnendringt, te elimineren. 'Conjugatie is een bekend proces dat wetenschappers ook in het laboratorium gebruiken om genen tussen bacteriën over te brengen. Het is ook bekend dat bacteriën mechanismen bezitten om vreemd DNA te vernietigen, waaronder plasmide-DNA, en sommige van deze mechanismen worden zelfs gebruikt voor verschillende onderzoeksdoeleinden. Tot nu toe heeft echter niemand volledig onderzocht hoe plasmiden deze verdedigingsmechanismen overwinnen", zegt prof. Burstein.
Samuel legt uit dat ze het onderzoek begon met het uitvoeren van een computationele analyse van 33.000 plasmiden en het identificeren van genen die geassocieerd worden met 'antiverdedigingssystemen' die plasmiden helpen bacteriële verdedigingsmechanismen te omzeilen. Wat nog interessanter was, was de locatie van deze genen. Zoals gezegd zijn plasmiden dubbelstrengs cirkelvormige DNA-segmenten. Om door de dunne buis te kunnen die de bacteriën verbindt, wordt een van die cirkelvormige strengen op een bepaald punt doorgesneden door een eiwit, dat zich vervolgens aan de gekloofde streng bindt en de overdracht naar de ontvangende cel initieert. "De genen voor de antiverdedigingssystemen die ik identificeerde, bleken geconcentreerd te zijn in de buurt van dat snijpunt en zo georganiseerd dat ze de eerste genen zouden zijn die de nieuwe cel binnenkwamen. Deze strategische positionering zorgt ervoor dat de genen direct na overdracht worden geactiveerd, waardoor het plasmide het voordeel krijgt dat nodig is om de verdedigingssystemen van de ontvangende bacterie te neutraliseren.”
Prof. Burstein vertelt hoe Samuel, toen hij haar resultaten voor het eerst liet zien, het moeilijk vond te geloven dat zo’n fenomeen nog niet eerder was geïdentificeerd. “Bruria voerde een uitgebreid literatuuronderzoek uit en ontdekte dat niemand eerder dit verband had gelegd”, zegt hij. Omdat de ontdekking werd gedaan door bestaande databases te analyseren met computertools, was de volgende stap om in het lab aantonen dat dit fenomeen inderdaad optreedt tijdens plasmideoverdracht tussen bacteriën. Samuel legt uit: "Om dit te doen, gebruikten we plasmiden die antibioticaresistentie verlenen en introduceerden deze in bacteriën die waren uitgerust met CRISPR, het bekende bacteriële verdedigingssysteem dat DNA kan aanvallen en vernietigen, inclusief dat van plasmiden. Deze methode stelde ons in staat om eenvoudig de omstandigheden te testen waaronder het plasmide het verdedigingssysteem zou kunnen overwinnen: als het erin slaagt het CRISPR-systeem te overwinnen, worden de ontvangende bacteriën resistent tegen antibiotica. Als het faalt, sterven de bacteriën."
Met behulp van deze methode toonde Samuel aan dat als de antiverdedigingsgenen zich in de buurt van het DNA-toegangspunt bevinden, het plasmide het CRISPR-systeem succesvol overwint. Als deze genen zich echter ergens anders op het plasmide bevinden, vernietigt het CRISPR-systeem het plasmide en sterven de bacteriën bij blootstelling aan antibiotica.
Prof. Burstein merkt op dat het begrijpen van de positionering van antiverdedigingssystemen op plasmiden de identificatie van nieuwe antiverdedigingsgenen mogelijk zou kunnen maken, een onderwerp dat momenteel zeer actief wordt onderzocht. "Bovendien kan onze studie bijdragen aan het ontwerpen van efficiëntere plasmiden voor genetische manipulatie van bacteriën in industriële processen. Hoewel plasmiden al veel worden gebruikt voor deze doeleinden, is de efficiëntie van plasmide-gebaseerde genetische overdracht in laboratoriumomstandigheden aanzienlijk lager dan die van natuurlijke plasmiden", zegt hij. "Een andere potentiële toepassing zou het ontwerpen van effectieve plasmiden kunnen zijn voor genetische manipulatie van natuurlijke bacteriële populaties. Dit zou kunnen helpen om genen voor antibioticaresistentie in bacteriële populaties in ziekenhuizen te blokkeren, bacteriën in de bodem en het water te leren om verontreinigende stoffen af te breken of koolstofdioxide te binden, en zelfs darmbacteriën te manipuleren om de menselijke gezondheid te verbeteren."
Ramot, het technologieoverdrachtsbedrijf van de Universiteit van Tel Aviv, beschouwt deze ontdekking als een belangrijke biotechnologische doorbraak met brede toepassingen. Dr. Ronen Kreizman, CEO van Ramot, zegt: "Allereerst wil ik Prof. David Burstein en zijn labteam feliciteren met deze fascinerende wetenschappelijke ontdekking. Het nieuwe onderzoek opent revolutionaire mogelijkheden op gebieden zoals de ontwikkeling van medicijnen tegen resistente bacteriën, synthetische biologie, agritech en foodtech. Het vermogen om genetische materiaaloverdracht tussen bacteriën te controleren en te verfijnen, kan een krachtig hulpmiddel worden voor het aanpakken van uitdagingen op het gebied van milieu, landbouw en geneeskunde. We werken momenteel aan de commercialisering van deze technologie om het volledige potentieel ervan te realiseren."
Comments