IJskernen fungeren als biologische tijdcapsules, waarin micro-organismen en hun genetisch materiaal soms al duizenden jaren bewaard zijn gebleven. Deze micro-organismen hebben exclusieve antimicrobiële verbindingen ontwikkeld, die cruciaal zouden kunnen zijn in de strijd tegen de dreigende antibioticaresistentie.
Over de hele wereld sterven steeds meer mensen aan infecties. En de reden daarvoor is antibioticaresistentie. Veel bacteriën worden ongevoelig voor antibiotica, waardoor deze medicijnen niet langer effectief zijn. De statistieken zijn zorgwekkend. Wetenschappers voorspellen dat tegen 2050 ongeveer 10 miljoen mensen per jaar zullen sterven als gevolg van antibioticaresistentie. Onderzoekers zijn dan ook naarstig op zoek naar nieuwe soorten antibiotica. En mogelijk vinden we die in ijskernen.
Antibiotica zijn medicijnen die door een arts worden voorgeschreven als je een infectie hebt gekregen veroorzaakt door een bacterie. Het antibioticum doodt vervolgens de bacterie, of remt de groei. Het gaat echter mis wanneer antibiotica te vaak worden gebruikt. Bacteriën kunnen dan namelijk ongevoelig worden voor het middel. En dat gebeurt nu steeds vaker. Bacteriestammen worden in toenemende mate resistent tegen antibiotica waardoor we afstevenen op een situatie waarin veelgebruikte antibiotica nutteloos worden en sommige infecties niet of nauwelijks meer te behandelen zijn. De antibioticaresistentie heeft verschillende oorzaken. Zo worden de medicijnen massaal en dikwijls verkeerd gebruikt. Wanneer antibiotica te kort worden gebruikt, zijn de ziekmakende bacteriën nog niet allemaal dood. De bacteriën die het best bestand zijn tegen het medicijn blijven over en zullen zich gaan vermenigvuldigen. Hierdoor vindt selectie plaats van bacteriën die steeds beter tegen antibiotica kunnen: resistentie! Gebruik je antibiotica teveel, dan kan dat ook weer leiden tot resistentie. Als er constant antibiotica aanwezig zijn, wordt het lichaam niet volledig bacterie-vrij. We komen met zoveel bacteriën in aanraking dat er altijd wel eentje tussen zit die toevallig beter tegen het antibioticum kan.
Antibioticaresistentie is een groot probleem aan het worden en zal – als er niets gebeurt – in de toekomst dus talloze slachtoffers gaan eisen. Toch worden er maar weinig nieuwe soorten antibiotica gefabriceerd (slechts drie nieuwe klassen in de afgelopen vijftig jaar), terwijl daar juist zo’n behoefte aan is. Momenteel zijn er maar drie grote farmaceutische fabrikanten die nieuwe antibiotica ontwikkelen. Het leeuwendeel is ontdekt vanaf het midden van de jaren ’40 tot begin jaren ’70. In deze periode zijn veel natuurlijke antibiotica gevonden – dikwijls antibacteriële stoffen die voorkomen in de bodem – die relatief eenvoudig bewerkt konden worden tot geneesmiddel. Mede omdat de ontwikkeling moeilijker werd, begon de farmaceutische industrie zich meer te richten op de bestrijding van andere ziekten zoals kanker. Kortom, de ‘makkelijk te vinden’ antibiotica zijn allemaal in de jaren vijftig en zestig ontdekt. Tegenwoordig is het echter een stuk lastiger om nieuwe antibiotica te vinden en te ontwikkelen.
IJskernen
Maar onderzoekers komen nu met een mogelijke oplossing voor dit probleem, zo schrijven ze in het vakblad BioDesign Research. Want tot op het heden hebben we het potentieel van ijskernen nog niet volledig benut. IJskernen herbergen een overvloed aan microbiële levensvormen die al duizenden, zo niet miljoenen jaren hebben standgehouden. Deze micro-organismen hebben zich aangepast om te overleven in uiterst koude en voedingsarme omgevingen, waardoor ze veelbelovend zijn als een nieuwe bron van antimicrobiële verbindingen.
Nieuwe verbindingen
Onderzoekers hopen dus door middel van het opboren van ijskernen nieuwe antibiotica op het spoor te komen. “Er bestaat een kans dat we nieuwe afgeleiden van bestaande verbindingen kunnen ontdekken, en misschien zelfs volledig nieuwe verbindingen,” vertelt onderzoeker Jeffrey Lee in gesprek met Scientias.nl. “Uiteindelijk is het een soort wiskundig spel. Als we breder kijken naar antimicrobiële stoffen, hebben we de kans om een paar goede kandidaten te vinden die we verder kunnen ontwikkelen tot geneesmiddelen.”
Micro-organismen
Om nieuwe microbiële levensvormen in ijskernen te ontdekken, wordt de biosyntheseaanpak gebruikt. Er worden twee aanvullende benaderingen toegepast: de ICEMAN-pijplijn voor ijskernmetagenomische analyse en synthetische biologietechnieken. Dit alles met als doel de ontdekking en verbetering van nieuwe antibioticaverbindingen te maximaliseren. “We willen ons onder andere richten op de genetische samenstelling van de organismen,” legt Lee uit. “We hebben de organismen ook niet per se levend nodig; we moeten alleen het aanwezige genetisch materiaal herstellen. Het geëxtraheerde DNA, dat afkomstig kan zijn van potentieel diverse organismen, moet vervolgens worden gesequenced. Op basis van dit DNA kunnen we zoeken naar sequenties en segmenten die coderen voor bepaalde verbindingen. Nadat deze zijn geïdentificeerd, kunnen we ze overbrengen naar veelgebruikte laboratoriumorganismen, waar we proberen deze verbindingen tot expressie te brengen en te produceren voordat we ze testen.”
Grootste uitdaging
Hoewel dit wellicht als een enorme onderneming klinkt, is de grootste uitdaging bij het verkrijgen van antimicrobiële verbindingen uit ijskernen volgens Lee niet eens het verkrijgen van de verbindingen zelf. “De grootste uitdaging, naar mijn mening, schuilt in het feit dat het potentiële geneesmiddel door uitgebreide klinische proeven en regelgevingsprocessen moet gaan,” stelt hij. “Dit kan aanzienlijk tijd in beslag nemen (vaak vele jaren) en brengt hoge kosten met zich mee – vaak meer dan 1 miljard dollar voor een regulier geneesmiddel. Daarnaast spelen kwesties rond de winstgevendheid van het geneesmiddel en het succes op de markt (en in welke markten) een rol. Ik denk dus dat de voornaamste obstakels niet echt liggen in het experimentele deel, maar eerder in de latere, opvolgende stappen die nodig zijn om een geneesmiddel naar de kliniek te brengen.”
Ziekteverwekkers
Wat we daarnaast ook niet moeten vergeten, is dat ijskernen, naast antimicrobiële verbindingen, ook nieuwe pathogene bacteriën herbergen. Dit betekent dat we in feite ook van kwaad naar erger kunnen gaan. “Ik denk dat dit een heel belangrijk punt is,” onderstreept Lee. “Ik maak me zeker zorgen over pathogene organismen uit ijskernen, dus het is cruciaal dat we strenge protocollen handhaven. Laboratoriumveiligheid staat hierbij voorop, en onderzoekers moeten strikt alle regels en procedures op hun faciliteit volgen. Werken met alleen DNA is echter veel minder riskant. In feite werk je gedurende een groot deel van het experimentele proces alleen met gegevens, totdat je begint met het tot expressie brengen van de sequenties en segmenten in andere organismen. En zelfs dan weten we waarmee we werken. We zouden bijvoorbeeld nooit direct met een hele bacterie werken als die schadelijk blijkt te zijn.”
Sleutelrol
Al met al laten de onderzoekers zien hoe er mogelijk doeltreffend potentiële nieuwe kandidaten ontdekt kunnen worden voor de ontwikkeling van medicijnen. En wie weet, kunnen ijskernen wel een aanzienlijk verschil maken in de groeiende dreiging van antibioticaresistentie en een sleutelrol spelen bij de ontwikkeling van de volgende generatie antibiotica. “Als we erin slagen om nieuwe verbindingen te ontdekken, kunnen we de opkomende golf van antibioticaresistentie (tegen zowel bacteriële, virale als schimmelachtige pathogenen) vertragen,” meent Lee.
Desondanks blijft het een enorme uitdaging om deze dreiging voorgoed uit de wereld te helpen. “Ik realiseer me ook dat antibioticaresistentie altijd een uitdaging zal blijven,” zegt Lee. “De natuur zal zich blijven aanpassen om onze oplossingen te omzeilen. Daarom zijn sterke en blijvende programma’s voor het vinden van medicijnen nodig. Maar als we verschillende bronnen van antimicrobiële stoffen ontdekken en kunnen gebruiken, dragen we hier op een heel belangrijke wijze aan bij.”
