Van druppels in de vriezer tot de start van een nieuw en krachtig antibioticum

Bij het Leids Instituut voor Chemie maken onderzoekers veel verschillende moleculaire verbindingen. Mario van der Stelt, hoogleraar moleculaire fysiologie: “Van onze eindverbindingen bewaren we altijd een paar milligram in de vriezer, voor het geval iemand onze stoffen wil hergebruiken voor zijn onderzoek.” Zo’n stoffenbibliotheek is een prachtige vorm van open science, vindt hij. “Onder het genot van een drankje dachten Nathaniel Martin en ik dat we deze verbindingen net zo goed konden testen op moeilijk te controleren pathogene bacteriën.”

Eerst old school, daarna met moderne technieken.

Twee promovendi, Ioli Kotsogianni en Alexander Bakker, werkten nauw samen en testten de stoffenbibliotheek onder meer om E coli. En bingo! Er bleek een stof te bestaan ​​die in een acceptabele concentratie veel bacteriën doodde. Na deze ouderwetse test kwamen moderne technieken uit de kast, zegt hoogleraar biologische chemie Nathaniel Martin, die met zijn groep bij het Leidse Instituut voor Biologie veel onderzoek doet naar nieuwe antibacteriële stoffen tegen resistente bacteriën. ‘Samen met de groep van onze collega Gilles van Wezel (hoogleraar Moleculaire Biotechnologie, red.) volgorde aanbrengen in We vonden het volledige genoom van bacteriën die wel en niet resistent waren tegen de stof die we hadden gevonden. Zo ontdekten we waar het molecuul de bacteriën aanviel.’

Het genetische verschil tussen bacteriën die gevoelig of ongevoelig waren voor de nieuwe stof liet zien waar de nieuwe stof de bacteriën aanviel. Martin: “Bijna alle bacteriën die resistent waren tegen de stof hadden een reeks mutaties in het gen dat codeert voor het essentiële eiwit gyrase.” Bij dit soort bacteriën zorgt gyrase ervoor dat het DNA losser of strakker wordt opgewonden om celdeling mogelijk te maken. Daarom heeft de ontdekte werkzame stof het eiwitgyrase gedeactiveerd, waardoor de bacterie zich niet kan delen.

Een teleurstellende ontdekking

In eerste instantie was deze ontdekking teleurstellend voor onderzoekers, zegt Van der Stelt. «Gyrase is een eiwit waarmee een klasse van veelgebruikte antibiotica bacteriën aanvalt. Dus dachten we even dat we geen nieuwe aanvalsmethode hadden, maar gewoon een middel dat hetzelfde doet als bestaande middelen, en dat steeds vaker faalt.’

De onderzoekers gaven niet op. Ze stuurden hun nieuwe middel naar het Norwich Microbiology Centre in Groot-Brittannië, waar hun collega’s op moleculair niveau kunnen zien hoe de stof zich aan een eiwit bindt. In diepgevroren toestand, met speciale cryo-elektronenmicroscopie. Hierdoor werd duidelijk dat het nieuwe Leidse antibioticum het gyrase-eiwit op een andere plaats aan gyrase bindt dan bestaande antibiotica.

Dat was de doorbraak

In het laboratorium van Van der Stelt werkten masterstudenten aan het verbeteren van het gevonden antibioticum. ‘De eerste studente, Diana Piermarini, maakte tachtig tot negentig variaties zonder iets te verbeteren. Vervolgens wilden we nog één ding proberen om het molecuul wat stijver te maken. Dit werd gedaan door een nieuwe student, Jeroen Punt, die nu promovendus bij ons is. “Dat was de grote doorbraak.” De onderzoekers noemden hun stof LEI-800, naar de ‘geboorteplaats’ Leiden. Ze vroegen patent aan bij het Technology Transfer Office van de universiteit.

Van der Stelt verwacht niet dat precies dit LEI-800-middel ooit als nieuw antibioticum op de markt zal komen. “Het molecuul bindt zich sterk aan het eiwit gyrase, maar de muizen blijken het heel snel af te breken en het komt niet zo gemakkelijk de bacteriecel binnen.” De ontdekte stof vormde vooral een belangrijk nieuw startpunt in de strijd tegen resistente bacteriën. Volgens Van der Stelt is de kans groot dat een farmaceutisch bedrijf op zoek gaat naar een ander molecuul dat zich richt op gyrase en geschikter is als medicijn dan LEI-800. “Het zou zonde zijn als dat niet zou gebeuren.”

De kracht zit in de combinatie.

Martin denkt dat zo’n nieuw medicijn vooral effectief zal zijn in combinatie met een bestaand antibioticum. ‘Bij het bestaande antibioticum dat inwerkt op gyrase, ciprofloxacine, heeft de bacterie alleen een specifieke mutatie nodig om resistent te worden. De kans dat dit toevallig gebeurt, is vrij groot. Om resistent te worden tegen een stof vergelijkbaar met LEI-800 heeft de bacterie een andere, maar even kleine, mutatie nodig. “De kans dat een bacterie precies deze twee genetische mutaties verwerft en daardoor resistent wordt tegen beide stoffen, is uiterst klein.”

Beide onderzoekers benadrukken dat hun ontdekking te danken is aan een uitzonderlijk goede samenwerking tussen verschillende afdelingen van Leiden Early Drug Discovery & Development (LED3). Hier werken Leidse biologen, scheikundigen en farmaceutische onderzoekers aan nieuwe oplossingen voor hart- en vaatziekten, kanker, hersenaandoeningen en infectieziekten.

Tekst: Rianne Lindhout