Op zoek naar de achilleshiel van antibiotica-resistente bacteriën

Vandaag genees je van je long- of oorontsteking door een simpele antibioticakuur. In de toekomst zal dat niet meer vanzelfsprekend zijn. Bacteriën evolueren voortdurend en ontwikkelen steeds vaker mechanismen om aan antibiotica te ontsnappen. Resistentie van de bacteriën is dus het gevolg van evolutie en onvermijdelijk. Experten voorspellen dat infecties met de resistente, ook wel superbacteriën genoemd, uiteindelijk dodelijker kunnen worden dan kanker. Deze trend willen ik en mijn collega’s aan de KU Leuven helpen keren. Met een nieuwe techniek, MAGESTIC, willen we de bacterie beter begrijpen, want zelfs een superbacterie heeft zwakke plekken. Net zoals de onoverwinnelijke Achilles verslagen werd door een pijl in zijn hiel. 

Hoe zit het dan met die nieuwe techniek?

Hier komt CRISPR in beeld, een genetische tool die wij, analoog met het verhaal van Achilles, als pijl gebruiken. Met CRISPR kunnen we specifiek stukjes DNA aanpassen of uitschakelen om ze te bestuderen. Dit doen we al een tiental jaar in tal van toepassingen en organismen. Het probleem duikt op als we niet weten welk stukje DNA we moeten uitschakelen. We weten namelijk niet waar de zwakke plek bij de superbacterie zal zitten. Ook de Trojanen kampten aanvankelijk met dat probleem. Ze probeerden Achilles uit te schakelen door hem met pijlen te raken in zijn borst, zijn hart, zijn benen… maar niets leek de Griek te stoppen. Met de nieuwe techniek kunnen we CRISPR beter maken om het hele DNA te gaan bestuderen in plaats van slechts enkele stukjes.

DNA van A tot Z..

Om de zwakke plek te vinden, moeten we ervoor zorgen dat elk stukje uit het DNA apart wordt uitgeschakeld. Dat klinkt niet alleen complex, maar dat is het ook in het lab: als je rekent dat 1 deeltje uitschakelen ruwweg één week duurt, dan heb je voor tienduizend uitgeschakelde deeltjes DNA zeventigduizend dagen nodig of ongeveer 192 jaar. Denk terug aan Achilles: je moet de tienduizend pijlen één voor één afvuren. De tien jaar durende Trojaanse oorlog is tegen die tijd al lang voorbij.

.. in 1 week in plaats van 192 jaar

De nieuwe techniek brengt hier verandering in. Met MAGESTIC kunnen we alle tienduizend pijlen tegelijk afvuren. Met andere woorden: we kunnen met de nieuwe techniek alle stukjes DNA in één stap uitschakelen. Zo duurt dit proces amper één tot enkele weken. We doen dit niet in dezelfde bacterie, maar creëren een groep bacteriën waarbij in elke bacterie een ander stukje DNA is uitgeschakeld. Elke bacterie krijgt de genetische pijl dus op een andere plek. Omdat bacteriën enorm klein zijn, is het geen probleem om alle tienduizend verschillende varianten samen te laten groeien in één testbuisje.

De uitdagingen van CRISPR op grote schaal

De enorme verzameling bacteriën brengt een nieuwe uitdaging met zich mee. Niet elke bacterie krijgt automatisch de gewenste DNA-verandering. Veel bacteriën blijven tijdens het proces onveranderd, terwijl we net de aangepaste bacteriën willen bestuderen. Op die manier riskeren we de interessante bacteriën in de massa onveranderde bacteriën uit het oog te verliezen. Bovendien willen we niet alleen aangepaste bacteriën terugvinden, maar ook zeker zijn dat alle verschillende DNA-veranderingen die we hebben ontworpen aanwezig blijven. We moeten daarom slimme manieren bedenken om uit miljoenen bacteriën precies de aangepaste bacteriën te filteren. De basis voor zulke methoden werd de afgelopen jaren ontwikkeld in gistcellen. Onze uitdaging is nu om die aanpak te vertalen naar superbacteriën.

Een biologische barcode

Eenmaal we duizenden verschillende bacteriën hebben verzameld, wordt het belangrijk te bacteriën goed uit elkaar te houden. Elke bacterie krijgt daarom een moleculaire barcode. Die barcode vertelt ons welk stukje DNA werd uitgeschakeld. Het wordt nadien interessant wanneer de tienduizend superbacteriën in een buisje met antibiotica worden gestopt. Als we nu zien dat één van de superbacteriën niet meer kan groeien, kunnen we met de barcode afleiden welk stukje DNA werd uitgeschakeld. Dit stukje DNA is dan hoogstwaarschijnlijk belangrijk voor de resistentie van de bacterie. Het is de achilleshiel die we vinden door het hele DNA te bestuderen. Als we dit stukje DNA vervolgens uitschakelen met doelgerichte therapiën, kunnen we de superbacterie misschien weer doden met antibiotica. In de onderzoekswereld noemen we dit het opnieuw gevoelig maken van resistente bacteriën.

Het belang, juist in tijden van artificiele intelligentie

Naast therapeutische toepassingen, is MAGESTIC interessant voor nieuwe inzichten. Elke bacterie in onze collectie vertelt iets over de rol van een specifiek DNA-fragment. Samen leveren die duizenden bacteriën een enorme hoeveelheid nieuwe informatie op over hoe bacteriën werken. Die enorme hoeveelheid biologische data is vandaag waardevoller dan ooit. Artificiële intelligentie speelt namelijk een steeds grotere rol in onderzoek en kan razendsnel verbanden zoeken in complexe datasets. AI heeft ook een valkuil: ze kan alleen leren uit informatie die al bestaat. Wat nog niet ontdekt is, blijft ook voor AI een blinde vlek. Daarom is MAGESTIC zo waardevol. Door alle stukjes DNA te bestuderen, zowel de bekende als de onbekende, stelt het ons bloot aan nieuwe kennis. Die kennis helpt ons niet alleen om bacteriën beter te begrijpen, maar vormt ook de basis waarop toekomstige AI-modellen kunnen bouwen.