Wetenschap

Moleculen tweaken

Hoe je antibiotica maakt uit melk

Nieuwe antibiotica zijn keihard nodig. Maar waar haal je die vandaan? Volgens RUG-promovenda Dowine de Bruijn zijn ze er allang. We moeten de natuur alleen een klein beetje aanpassen.
Door Christien Boomsma

Het is een ontnuchterende gedachte. Al tientallen jaren zoeken wetenschappers van over de hele wereld naar nieuwe soorten antibiotica. Hard nodig, want meer en meer bacteriën zijn ongevoelig voor penicilline, azitromycine, clindamycine, ciprofloxacine, doxycycline of al die andere bacteriedodende middelen. En loop je dan toch een infectie op met de multiresistente ziekenhuisbacterie MRSA, of de minstens zo taaie VRE-bacterie, dan heb je een serieus probleem.

Maar misschien, zegt RUG-chemicus Dowine de Bruijn, moeten we iets beter om ons heen kijken. Want terwijl onderzoekers in hun laboratoria druk bezig zijn nieuwe stoffen te ontwikkelen, zijn die nieuwe antibiotica al overal om ons heen. Sterker nog: ze worden gemaakt door ándere bacteriën. ‘Ook die willen zichzelf immers beschermen’, zegt De Bruijn. ‘Dat klinkt misschien een beetje counter intuitive, maar het is wel zo.’

E-nummer

Neem bijvoorbeeld het eiwit nisine. Het wordt gemaakt door melkzuurbacteriën en doodt concurrenten door zich aan hen vast te hechten en vervolgens een gaatje te maken in de celwand, waardoor de bacterie onherroepelijk sterft. Elegant en effectief. In de tijd van Alexander Fleming – juist, de man die in 1928 penicilline ontdekte – is het stofje én zijn bacteriedodende werking al beschreven. De voedselindustrie is er ook dol op en gebruikt het als E-nummer E234.

‘Zo’n eiwit zit enorm vernuftig in elkaar’, zegt De Bruijn. ‘Het zijn heel vreemde, complexe structuren met veel ringen. Als je ernaar kijkt, lijken ze niet eens op een normaal peptide.’ En dat maakt weer dat het bijna onmogelijk is om het na te maken in een laboratorium. ‘Dat is wel eens gedaan, maar daar ben je dan een half jaar mee bezig en dan heb je een halve milligram’, zegt De Bruijn. ‘Dat schiet niet op.’

Het zijn heel vreemde, complexe structuren

Maar ondertussen is het wel een heel potent antibioticum – bijna net zo krachtig als het ‘laatste redmiddel antibioticum’ vancomycine – en is er nog altijd nauwelijks resistentie tegen opgetreden. ‘Bij de meeste middelen is een kleine mutatie al voldoende om voor resistentie te zorgen’, zegt De Bruijn. ‘Maar nisine zit zo ingewikkeld in elkaar en grijpt aan op zoveel aspecten, dat er een hele set van specifieke mutaties nodig zou zijn.’

Tweaken

Eigenlijk is er maar één reden waarom we het middel niet allang gebruiken tegen een uitbraak van MRSA of VRE. Het spulletje is niet heel stabiel in een pH-neutrale omgeving én het laat zich slecht oplossen in water. ‘Sterker nog, het lost het liefst op in zuur. En ons bloed is nu eenmaal niet zuur’, zegt De Bruijn. ‘Dus dat is wel een probleem.’

Vandaar dat De Bruijn de afgelopen jaren probeerde te achterhalen hoe ze de eigenschappen van nisine zou kunnen aanpassen. Niet door geheel nieuwe moleculen te maken, zoals sommige collega’s van haar van het Stratingh Instituut doen. In plaats daarvan liet ze melkzuurbacteriën gewoon hun werk doen, om vervolgens de organisch gekweekte moleculen zo te tweaken dat je ze misschien wél kunt inzetten als medicijn.

‘We wilden bijvoorbeeld de wateroplosbaarheid verbeteren’, zegt De Bruijn, die vorige week haar PhD kreeg voor haar onderzoek. ‘Of een groep aanhangen waardoor de stof beter zou kunnen worden opgenomen in het lichaam.’

Aangrijpingspunt

Dat betekende wel dat ze maar op één plek een aanpassing kon doen. Al te veel veranderingen zijn riskant: voor je het weet is de bacteriedodende werking aangetast en dat is natuurlijk niet de bedoeling. ‘Ons eerste doel was om te laten zien dat dat kán.’

Gelukkig bleek nisine één heel bijzondere eigenschap te hebben. In tegenstelling tot de meeste eiwitten heeft het een dubbele koolstof-koolstofverbinding. ‘Daar hadden we een uniek aangrijpingspunt’, zegt De Bruijn. ‘Het molecuul gebruikt die verbindingen zelf ook, om zijn ringen te maken. Maar er zijn nog een paar over die niet gebruikt worden. En daar kunnen wij dan iets mee.’

Ons eerste doel was om te laten zien dat dat kán

Maar dat moest dan wel in water gebeuren en in een pH-neutrale omgeving. Een kunstje dat voor De Bruijn nog nooit iemand voor elkaar had gekregen.

Ze probeerde het te doen door metalen als palladium, rhodium en iridium als katalysator te gebruiken, waarbij elk van de katalysatoren weer andere reacties mogelijk maakte. ‘Met palladium kun je er een benzeenring aan koppelen met een boorzuur – ook een element. Rodium liet de dubbele binding totaal verdwijnen met mierenzuur en iridium maakte het mogelijk er een molecuul aan te koppelen onder invloed van licht.’

Off limit

Makkelijk was dat echter niet. Niet alleen waren de reguliere methoden – koken, of verbindingen maken met agressieve oplosmiddelen – off limits. Die zouden het eiwit te veel beschadigen. Maar ook omdat het enorm lastig was om te ontdekken of de experimenten überhaupt iets hadden opgeleverd.

‘Ik heb het wel eens vergeleken met zoeken in het donker’, zegt De Bruijn. ‘Je kunt zo’n molecuul immers niet zien. Je kunt het alleen maar meten met een massaspectrometer.’

Dat leverde een aantal lastige problemen op. Zo had ze berekend dat een van haar nieuwe, getweakte nisinemoleculen een massatoename van 106 zou moeten hebben. Dat was immers het gewicht van de ring die ze eraan had willen zetten. ‘En dat mat ik ook. Precies dat. Dus ik was helemaal blij.’

Tot ze ontdekte dat ze na élk experiment een toename van 106 had, hoeveel boorzuur ze ook toevoegde aan haar nisinemolecuul. Wat bleek? ‘106 was ook het gewicht van het palladiumatoom. Ik had al die tijd gewoon de katalysator gemeten die nog altijd aan het molecuul geplakt zat. Er was helemaal níets gebeurd.’

Frustratie

Het kostte haar maanden om een methode te achterhalen die het palladium weer van de nisine af kon halen. ‘Maar als dat dan uiteindelijk lukt en je meet wel de goede dingen, dan kan het niet meer stuk.’

Ineens kon ik het effect niet meer zien

Nieuwe frustratie diende zich aan toen het molecuul dat haar gedurende enkele maanden prima, betrouwbare metingen had opgeleverd, zijn werk ineens niet meer deed. ‘15 maart 2016’, zegt ze. ‘Toen kon ik het ineens niet meer zien. We maakten het apparaat schoon, gingen helemaal na wat er met de massaspectrometer was gebeurd, welke stoffen erin hadden gezeten, wie hem had gebruikt… maar we maten het niet meer! En dan kun je wéér op zoek naar een manier om het zichtbaar te maken.’

Het is nog altijd een raadsel waarom het gebeurde. En daarna volgde een periode van maanden experimenteren met nieuwe moleculen, nieuwe methoden, voor ze er alsnog – nu definitief – in slaagde het palladium van haar moleculen af te krijgen.

En nu?

Samenwerking

Nu heeft De Bruijn dus bewezen dat het kan. Wetenschappers kunnen een nisinemolecuul zodanig tweaken dat je er andere verbindingen aan vast kunt maken. Zónder dat ze daarmee de antibiotische werking van het stofje aantast. De volgende stap zal echter niet van haar komen, maar – hopelijk – vanuit de microbiologie.

‘Wij chemici kunnen van alles bedenken, maar het zijn de microbiologen die moeten bepalen wat het molecuul precies moet kunnen en wat de vervolgstap kan zijn’, zegt ze. Er zou meer samenwerking moeten zijn, vindt ze. ‘Eigenlijk zouden chemici getraind moeten worden in de microbiologie en andersom.’

En dan moet het mogelijk zijn. Nieuwe antibiotica uit melk.

English