Onderzoekers van KU Leuven hebben in hun labo een techniek ontwikkeld waarmee genetisch gemodificeerde bacteriën niet langer exponentieel, maar gecontroleerd en tijdelijk groeien.
De ‘proof-of-concept’ studie, gepubliceerd in Nature Communications maakt het mogelijk om bacteriën veilig in te zetten in bijvoorbeeld geneesmiddelen of landbouw, doordat hun groei begrensd is. Op de technologie loopt intussen een patentaanvraag.
Bacteriën worden vandaag al op grote schaal ingezet in uiteenlopende sectoren. In gecontroleerde omgevingen, gesloten systemen zeg maar, worden ze gebruikt voor de productie van geneesmiddelen, voedingsstoffen, biogassen, … Maar ook in ongecontroleerde omgevingen worden bacteriën gebruikt. Denk aan probiotica die je kan innemen om je darmgezondheid te herstellen. In de landbouw helpen ze gewassen beschermen tegen schimmels en insecten. Ze worden ook ingezet bij waterzuivering en het saneren van vervuilde gronden.
Bacteriën groeien van nature exponentieel: één cel wordt twee, twee worden vier, 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, probiotica, of gebruik op akkers, in stallen, waterbekkens,… – is het belangrijk dat ze zich niet onbeperkt gaan verspreiden.
Groei herprogrammeren
De onderzoekers van KU Leuven ontwikkelden een techniek om de groei van E. coli bacteriën te herprogrammeren.
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 één van de twee 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 onderzoeker Ronald 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.”
Veiligheid in open toepassingen
Net die voorspelbaarheid is belangrijk voor toepassingen in moeilijk te controleren omgevingen.
Bacteriën die je kan controleren openen meer mogelijkheden voor gebruik in het menselijk lichaam. Ze zouden bijvoorbeeld geprogrammeerd kunnen worden om een medicijn lokaal te produceren in de darm. Of zouden kunnen dienen om bepaalde tumoren aan te vallen in het lichaam. Ook in de veehouderij opent de techniek mogelijkheden om vaccins te ontwikkelen, op basis van bacteriën die een immuunrespons triggeren, om daarna weer vanzelf te verdwijnen.
“Wanneer zulke micro-organismen in open veld of in dieren worden toegepast, is volledige controle onmogelijk. Onze techniek die de groei al vooraf begrenst, biedt dan een extra veiligheid”, zegt onderzoeker Ronald Van Eyken.
“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, verbonden aan het Departement Microbiële en Moleculaire Systemen. “Onze techniek opent de weg naar nieuwe mogelijkheden en veilige toepassingsgebieden voor bacteriën.”
Op de techniek loopt momenteel een patentaanvraag.