Vier Nederlandse studententeams doen dit jaar mee aan de iGEM competitie voor synthetische biologie. Zij knutselen aan schimmels en bacteriën in de hoop ze nieuwe, spannende toepassingen te kunnen geven. Een kijkje in de keuken van Wageningen UR, TU Eindhoven, TU Delft en de Universiteit Groningen.
iGEM is een jaarlijkse internationale competitie synthetische biologie voor studenten. Op basis van standaard bouwblokjes en zelfgemaakte bouwblokjes proberen de studenten een biologisch systeem in elkaar te knutselen dat ook nog eens werkt in levende cellen. Dit jaar doen er vier Nederlandse universiteitsteams mee aan de wedstrijd. Begin oktober presenteren zij hun projecten tijdens de Europese voorronde in Lyon. Een korte impressie van waar de teams op dit moment mee bezig zijn.
Bouwblokjes voor een schimmel
Aan de Wageningen UR werkt het team van begeleider Mark van Passel met de schimmel Aspergillus niger. “Binnen iGEM is nog nooit eerder met dit organisme gewerkt, dus wat dat betreft is het een ambitieus project”, geeft van Passel toe. “Maar je moet voor deze wedstrijd ook wel iets vernieuwends doen. Je kunt niet zeggen: ik doe al jarenlang onderzoek naar de productie van biobrandstof en nu heb ik één extra gen bij een bacterie ingebouwd waardoor het net iets efficiënter wordt.” Het initiatief voor de keuze van Aspergillus ligt bij de studenten, maar van Passel is hierover duidelijk enthousiast. “Voorgaande jaren hebben we voor deze wedstrijd steeds gewerkt met organismen waar wij zelf geen onderzoek naar doen. Dit jaar is dat anders, dus alles wat we uit het project halen kunnen we later weer gebruiken in ons eigen onderzoek.”
Student Michiel Karrenbelt legt uit wat het team uit Wageningen precies van plan is. “Schimmels produceren allerlei secundaire metabolieten die voor hen niet van vitaal belang zijn, maar voor ons wel erg nuttig kunnen zijn. Bijvoorbeeld antibiotica. Recent zijn de genclusters geïdentificeerd die zorgen voor de synthese van zulke metabolieten. Aan de basis staat een groot enzym dat bestaat uit allerlei kleine domeinen die je onderling kunt omwisselen. We gaan nu proberen Aspergillus niger de cholesterolremmer lovastatine te laten maken.”
Aspergillus niger.
CDC, Wikimedia Commons“Lovastatine wordt op dit moment gemaakt door een andere schimmel van het geslacht Aspergillus, maar die schimmel maakt ook toxinen en dat wil je natuurlijk niet in voedsel of medicijnen”, gaat Karrenbelt verder. “Voor de productie van lovastatine zijn zeven kleine domeinen nodig die allemaal iets anders doen. We willen ook kijken of we door het mixen van die domeinen nog andere metabolieten kunnen krijgen die misschien wel beter werken dan lovastatine.”
Het uiteindelijk doel van de studenten is om een set standaard bouwblokjes af te leveren. Van Passel: “iGEM heeft een eigen bibliotheek met allerlei genetische onderdelen die deelnemers en wetenschappers kunnen gebruiken om een organisme op te bouwen. Maar omdat er nog nooit met Aspergillus niger gewerkt is, bestaan die voor deze schimmel nog niet.” Karrenbelt vult aan: “Wat we in ieder geval toe willen voegen zijn de zeven bouwblokjes die nodig zijn voor de productie van lovastatine. Maar daarnaast kun je bijvoorbeeld ook nog denken aan biosensoren die intern de hoeveelheid ATP en de pH van de schimmel kunnen meten.”
Bacterie als contrastmiddel
Het team van de TU Eindhoven wil Escherichia coli bacteriën gebruiken als contrastmiddel bij MRI imaging. “Als contrastmiddel denken we aan een speciaal eiwit dat de bacterie alleen produceert onder bepaalde omstandigheden”, legt begeleider Maarten Merkx uit. “De studenten hebben inmiddels een serie eiwitten geïdentificeerd en zijn nu aan het kijken welke eiwitten het best geschikt zijn voor MRI imaging.”
Student Nick van der Zon vertelt in meer detail hoe je met behulp van een bacterie tumoren in beeld kunt brengen. “We hebben een zuurstofafhankelijk stukje DNA ingebracht bij een E. coli bacterie. Dit stukje DNA wordt alleen geactiveerd bij een lage zuurstofconcentratie. In de omgeving van tumoren heerst vaak een lage zuurstofconcentratie. Op die manier is het stukje DNA dus een soort sensor voor tumoren.” Op het moment dat het DNA geactiveerd wordt, start de productie van het eiwit. “Dit eiwit heeft zelf lading en gaat ook lading uitwisselen met zijn omgeving. Het verschil in lading kun je dan met MRI meten”, aldus van der Zon.
Welk eiwit de studenten hiervoor precies gaan gebruiken, is dus nog niet bekend. Met behulp van modellen proberen zij nu eerst te voorspellen welk eiwit het beste werkt. Zo bepalen zij bijvoorbeeld hoe de productie van verschillende eiwitten verloopt bij verschillende zuurstofconcentraties en bekijken ze welk eiwit het meeste contrast geeft op de MRI-beelden.
Volgens van der Zon is het Eindhovense project een klein begin, maar heeft het wel veel potentie. “Op dit moment worden voor MRI zware metalen gebruikt die niet zo gunstig zijn voor het lichaam. Door de bacteriën te doden nadat zij hun werk hebben gedaan, heb je geen last van schadelijke effecten.” Een tweede voordeel van deze aanpak is dat het verschillende mogelijkheden heeft. “De studenten werken op dit moment aan het traceren van tumoren, maar het contrastmiddel zou bijvoorbeeld ook gebruikt kunnen worden voor het volgen van een bacterie-infectie. Hoe verspreidt een ziekteverwekker zich en wat is het effect van bepaalde antibiotica?”, zegt Merkx.
Peptiden tegen MRSA
In Delft zijn ze op zoek naar nieuwe manieren om antibioticaresistente bacteriën, zoals MRSA, te bestrijden. Het antwoord lijkt gevonden in antimicrobiële peptiden. “Bij dit project moesten we vanaf het begin beginnen”, legt begeleidster Anne Meyer uit. “De studenten hebben in de literatuur opgezocht welke peptiden goed zouden kunnen werken en daar zijn we vervolgens mee aan de slag gegaan.” “We kwamen uit op peptiden die kikkers gebruiken als afweermechanisme”, vult student Joep Kooijman aan. “Kikkers maken peptiden die de membraan van een bacterie kunnen doorboren. Het gen dat verantwoordelijk is voor de aanmaak van deze peptiden hebben we nu ingebracht bij E. coli bacteriën.”
Het peptide dat van nature aanwezig is in kikkers, is nog enigszins schadelijk voor menselijke cellen. Om dat te optimaliseren hebben de Delftse studenten zelf een nieuw peptide ontworpen dat totaal niet schadelijk is voor mensen, totaal niet schadelijk is voor de E. coli bacterie die het moet produceren en juist heel schadelijk is voor MRSA. “Op dit moment hebben we dit nieuwe peptide alleen nog maar direct gemaakt”, legt Kooijman uit. “Maar binnenkort willen we het ook door de E. coli bacterie laten maken. Zowel het natuurlijke peptide als het nieuwe peptide zullen dan getest worden op levende MRSA bacteriën.”
In de bacterie worden peptiden niet zomaar aangemaakt, maar alleen op het moment dat MRSA aanwezig is. Dit heeft het team van de TU Delft voor elkaar gekregen door slim gebruik te maken van een mechanisme van MRSA zelf: quorum sensing. Kooijman legt uit: “Quorum sensing is een methode waarmee MRSA als het ware zichzelf detecteert. MRSA houdt voortdurend bij hoeveel bacteriën er in de kolonie aanwezig zijn, want dat is belangrijk voor zijn virulentie Door dit mechanisme te kapen, kan de E.coli bacterie ook in de gaten houden hoeveel MRSA bacteriën er aanwezig zijn en in actie komen als dat nodig is.
Nu kijken de studenten specifiek naar MRSA, maar het principe is waarschijnlijk breed toepasbaar. Kooijman: “Huidinfecties, zoals MRSA, op deze manier aanpakken is relatief makkelijk omdat je het peptide dan alleen hoeft toe te dienen op de huid. Het peptide in het lichaam krijgen is veel moeilijker.” Toch zou ook dat moeten kunnen door een andere bacterie dan E. coli te gebruiken.
Implantaten coaten met zijde
Studenten van de Universiteit Groningen zijn bezig om de bacterie Bacillus subtilis geschikt te maken voor de productie van zijde. “Het maken van zijde in een cel is al eens gedaan, maar we willen nu proberen om het zijde ook naar buiten te krijgen. Dat is een grote uitdaging, want zijde klit erg makkelijk aan elkaar”, zegt begeleider Oscar kuipers. Zijn student Erik Jan Postema vult aan: “De bacterie E. coli kan heel goed zijde maken, maar dan blijft deze zijde in de bacterie. Wij gebruiken Bacillus subtilis omdat die bacterie erg geschikt is om grote eiwitten uit te scheiden. Hij zou de zijde als het ware kunnen ‘uitzweten’.”
Met het gemaakte zijde wil het team uit Groningen medische implantaten gaan coaten. Postema: “Op dit moment gebeurt dat coaten met het eiwit collageen, gewonnen uit koeien. Zijde is als het ware een betere versie van collageen.” “Menselijke cellen groeien erg goed op zijde. Bovendien werkt zijde antimicrobieel en lijkt het te beschermen tegen gevaarlijke afstotingsreacties”, voegt Kuipers toe.
Op het moment dat de bacterie de zijde maakt, moet dit direct dienen als coating. Daarom willen de studenten de bacterie uitrusten met een hittesensor. “We stoppen het implantaat dat we willen coaten in een bad. De regio rond het implantaat wordt verwarmd, aan de buitenkant blijft het water koud. De bacterie is zo geprogrammeerd dat hij actiever wordt als het warmer wordt en gaat dus naar het implantaat toe bewegen.”
Kuipers denkt dat het Groningse project erg ambitieus is. “We kunnen aanduiden dat het mogelijk is om Bacillus subtilis zijde te laten maken, maar er zullen nog veel haken en ogen aanzitten.” Of Kuipers na iGEM zelf nog verder gaat met dit project weet hij nog niet. “Ik heb het eerdere jaren ook al eens overwogen. Maar iGEM is een eenmalige activiteit en de mensen die eraan gewerkt hebben zwermen allemaal weer uit. Ik heb op het lab ook niet iemand die dit er ‘even bij kan doen’. Om subsidie te krijgen, zouden we echt een onderzoeksvoorstel moeten schrijven om een aio aan te stellen. En dat moet dan wel binnen ons eigen onderzoek passen”.