Onderzoekers van de University of Illinois Urbana-Champaign hebben een techniek ontwikkeld die zelfs uit piepkleine beetjes microbieel DNA nieuwe genen weet te vissen.
Met deze methode, genaamd METa assembly, vonden ze tot nu toe onbekende genen voor antibioticaresistentie in bacterieel DNA uit menselijke ontlasting en uit een vistank van het Shedd Aquarium in Chicago. Dit heeft uiteindelijk geresulteerd in een scherper beeld van verborgen resistentiemechanismen die in het milieu circuleren – precies de informatie waar artsen en medicijnontwikkelaars naar zoeken.
“Met antibioticaresistentie in opmars is het belangrijker dan ooit om de volledige diversiteit aan mechanismen te begrijpen waarmee bacteriën antibiotica onschadelijk maken of ontwijken,” zegt Terence Crofts, de hoofwetenschapper van het onderzoek. “Als we beter zien welke resistentiegenen er in het milieu bestaan kunnen biomedische onderzoekers er in de kliniek naar uitkijken en mogelijk effectievere geneesmiddelen ontwikkelen.” De resultaten zijn te vinden in mSystems.
Effluxpomp
Het team vond in de DNA-sequenties uit het aquarium nieuwe typen effluxpompen: eiwitkanaaltjes in de celmembraan die het antibioticum tetracycline actief naar buiten pompen. In het fecesmonster stuitten de onderzoekers bovendien op wat lijkt op een geheel nieuwe familie van resistentie-eiwitten tegen streptothricinen. Die antibioticagroep werd al in de jaren veertig getest, maar nooit als medicijn ingevoerd vanwege het feit dat deze groep giftig is voor de nieren van zoogdieren. Nu resistentie tegen bestaande middelen toeneemt kijken onderzoekers opnieuw naar streptothricinen. Croft zegt: “in plaats van traditionele streptothricinen minder giftig te maken zou het mogelijk beter zijn om iets nieuws te maken dat al bestaande antibiotische resistentiemechanismen direct aan kan pakken.”
De door Crofts ontwikkelde METa-assembly is een verfijning van een al bestaande tool: de zogenoemde functional metagenomic library. Deze techniek zorgt ervoor dat onderzoekers bacteriële genen uit de omgeving kunnen halen. Om METa-assembly te laten werken is er echter dramatisch minder materiaal nodig: tot wel honderd keer minder dan dat normaalgesproken nodig is voor functional metagenomic libraries. Voor METa-assembly is het namelijk niet nodig om het volledige DNA uit een milieu¬monster te sequencen. In plaats daarvan hakt een enzym het DNA in stukjes ter grootte van genen. Die fragmenten worden vervolgens ‘gevoed’ aan de bacterie Escherichia coli (E. coli). Neemt E. coli zo’n DNA-fragment op, dan kan de bacterie ook de bijbehorende eigenschap krijgen.
Dat maakt vooral resistentie-eigenschappen goed bestudeerbaar: vaak worden die door één enkel gen aangestuurd en is het effect glashelder. “Als E. coli een resistentiegen heeft, overleeft hij een antibioticum. Heeft hij het niet, dan gaat hij dood,” aldus Crofts. “Je kan tien miljoen E. coli-cellen met elk een uniek stukje omgevings-DNA op een petrischaaltje zetten en vervolgens een antibioticum bijvoegen. Als er dan tien kolonies overleven, weet je dat die een resistentiegen hebben. Vervolgens kan je precies die DNA-stukjes verder onderzoeken.”
Een groot voordeel van METa-assembly is de extreem lage hoeveelheid start-DNA. In de praktijk betekent dit dat je met monsters kunt werken die extreem klein zijn. Dat opent de deur naar bronnen met weinig microben en bevorderd ook de klinische bruikbaarheid van zeer kleine monsters. In beide gevallen wist het team bruikbare data te genereren en konden ze direct nieuwe resistentiemechanismen identificeren.
Boerderij
Volgens Crofts kan de aanpak bovendien een bekend biologisch probleem omzeilen: Het daadwerkelijk uitvogelen van wat gevonden genen doen blijft een lastigere opgave dan het sequencen van het DNA. METa-assembly draait die logica om: eerst wordt er geselecteerd op functie (overleven bij antibioticum), daarna wordt er pas gekeken hoe dit gen binnen gevonden DNA past. Dat levert niet alleen hits op bij bekende genfamilies, maar juist ook bij volledig nieuwe spelers – zoals de effluxpompen voor tetracycline uit het aquarium en de vermoedelijk nieuwe familie van streptothricinresistentie-eiwitten uit menselijke ontlasting.
De onderzoekers willen METa-assembly nu inzetten in de landbouw. Volgens Crofts is dat geen luxe: bodembacteriën produceren vaak antibiotica die ze als wapen tegen soortgenoten gebruiken; bodems vormen daardoor een rijke bron aan resistentiegenen. Op boerderijen komen zoogdieren veelvuldig in contact met deze bodembacteriën, waardoor het gevaar bestaat dat de resistente eigenschappen van bodembacteriën uiteindelijk overspringen naar een bacterie die gevaarlijk is voor de mens. Door die reservoirs systematisch in kaart te brengen met wordt het mogelijk om toekomstige problemen in de kliniek eerder te zien aankomen – en daar alvast op in te spelen met slimmere medicijnen.
