Nieuwe techniek om bacteriën gecontroleerd te laten groeien maakt diervaccins veiliger
Onderzoekers van de KU Leuven hebben een techniek ontwikkeld waarmee genetisch gemodificeerde bacteriën niet langer exponentieel, maar gecontroleerd en tijdelijk groeien. Omdat hun groei begrensd is, zijn deze bacteriën veilig in te zetten als geneesmiddel of in de landbouw.
Bacteriën worden vandaag al op grote schaal ingezet in uiteenlopende sectoren. In gecontroleerde en gesloten omgevingen worden ze gebruikt voor de productie van geneesmiddelen, voedingsstoffen, biogassen... Maar ook in ongecontroleerde omgevingen worden bacteriën gebruikt. In de landbouw helpen bacteriën gewassen beschermen tegen schimmels en insecen. Ze worden ook ingezet bij waterzuivering en de sanering van vervuilde gronden.
Bacteriën groeien van nature exponentieel: één cel wordt 2 cellen, 2 celen worden 4 cellen, en zo verder. Die explosieve vermenigvuldiging is biologisch efficiënt, maar kan in bepaalde situaties een uitdaging vormen wanneer ze buiten het laboratorium worden toegepast. In niet-gecontroleerde omgevingen – denk aan geneesmiddelen, of gebruik in akkers, stallen of waterbekkens – is het belangrijk dat ze zich niet onbeperkt gaan verspreiden. “Je wil niet dat gemodificeerde bacteriën blijven rondgroeien en de lokale ecologie bijvoorbeeld verstoren. Als ze hun werk gedaan hebben, moeten ze gedood worden”, zegt onderzoeker Ronald Van Eyken.
Bacteriën herprogrammeren
Onderzoekers van de KU Leuven ontwikkelden een techniek om de groei van E. coli bacteriën te herprogrammeren, die ze publiceerden in een studie in Nature Communications.
In de bacterie bouwden ze een genetisch systeem in waarbij een molecule die nodig is om bepaalde voedingsstoffen te benutten, uitsluitend wordt aangemaakt vanuit een speciaal ontworpen eiwitcomplex in de cel. Dat complex wordt bij elke celdeling asymmetrisch verdeeld: slechts 1 van de 2 dochtercellen erft het. En dus kan maar één cel verder groeien. De andere cel stopt na enkele delingen.
Bovendien wordt het eiwitcomplex in de cellen geleidelijk aan afgebroken. Daardoor kan ook die ene ‘groeiende’ cel maar een beperkt aantal keer delen. Het resultaat is geen exponentiële, maar lineaire groei: een gecontroleerde toename met een ingebouwde einddatum.
“We schakelen bacteriën niet uit, maar veranderen hun groeilogica”, zegt Van Eyken. “In plaats van achteraf nog in te moeten grijpen, zoals de tot nu toe gebruikte methodes voornamelijk doen, kunnen wij vooraf bepalen hoeveel keer een bacterie zich kan delen. Dat maakt het systeem veel veiliger.” Dat het hele proces automatisch kan verlopen noemt Van Eyken misschien wel de belangrijkste innovatie van hun techniek.
Bacteriële vaccins
Net die voorspelbaarheid is belangrijk voor toepassingen in moeilijk te controleren omgevingen zoals het menselijk lichaam. “Door een van de meest fundamentele eigenschappen van bacterieel leven te herprogrammeren, kunnen we ze beter aan de leiband houden”, zegt coauteur professor Abram Aertsen. ”Onze techniek opent de weg naar nieuwe mogelijkheden en veilige toepassingsgebieden voor bacteriën.”
Bacteriën die je kan controleren openen bijvoorbeeld mogelijkheden in de veehouderij om vaccins te ontwikkelen op basis van bacteriën die een immuunrespons triggeren, om daarna weer vanzelf te verdwijnen. Volledige controle van bacteriën is normaal gezien onmogelijk in open veld of in dieren, zegt Van Eyken. “Onze techniek die de groei al vooraf begrenst, biedt dan een extra veiligheid.” Dat opent ook de mogelijkheid om krachtigere vaccins te ontwikkelen die voor een sterkere immunisatie zorgen.
Op de techniek loopt momenteel een patentaanvraag, maar praktische toepassingen zullen nog niet voor morgen zijn, zegt Van Eyken. “We hebben een ‘proof-of-concept’-studie uitgevoerd in een labo-omgeving om te bewijzen dat het werkt. In een volgende stap zijn we op zoek naar industriële partners om samen concrete toepassingen te ontwikkelen. Daarvoor kijken we in de eerste plaats naar die bacteriële vaccins in de veeteelt, maar er is nog jaren onderzoek nodig om te zien of onze techniek goed werkt in elk toepassingsgebied.”
