Bacteriofagen – virussen die bacteriën infecteren – krijgen hernieuwde aandacht als potentieel wapen tegen antibioticaresistente infecties. Maar deze kleine entiteiten, die cruciaal zijn voor de bestrijding van bacteriën op gebieden variërend van de geneeskunde tot de landbouw, zijn notoir complex. Hun ingewikkelde structuren en groeigewoonten hebben tot nu toe de wetenschappelijke vooruitgang belemmerd. Een nieuwe studie gepubliceerd in Science Advances door onderzoekers van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) en de Universiteit van Otago biedt een baanbrekend detailniveau over zo’n faag, Bas63, en opent deuren naar rationeel ontwerp en luidt een nieuw tijdperk van op fagen gebaseerde therapieën en toepassingen in.
De uitdaging van het bestuderen van bacteriofagen
Bacteriofagen zijn ongelooflijk overvloedig aanwezig op aarde en werden meer dan een eeuw geleden voor het eerst ontdekt. Vroege pioniers zagen hun potentieel als natuurlijke bacteriële moordenaars, maar de opkomst van antibiotica overschaduwde deze veelbelovende weg. Nu antibioticaresistentie uitgroeit tot een mondiale gezondheidscrisis, is de belangstelling voor fagen enorm toegenomen. Het ontwerpen van effectieve faagtherapieën stuit echter op aanzienlijke hindernissen.
Het begrijpen van de structuur en functie van deze virussen op moleculair niveau is cruciaal voor het effectief manipuleren ervan. Bacteriofagen zijn complex, vaak met diverse structuren en unieke manieren van interactie met hun bacteriële gastheren. Deze complexiteit maakt het moeilijk om ze uitgebreid te bestuderen, wat de ontwikkeling van gerichte faaggebaseerde behandelingen belemmert.
Een faag als geen ander: Bas63 staat centraal
Om deze uitdaging aan te gaan, concentreerde het onderzoeksteam zich op Bas63, een bacteriofaag geselecteerd uit de BASEL-collectie – een opslagplaats die genetische en fenotypische gegevens bevat van meer dan 100 fagen waarvan bekend is dat ze E infecteren. coli. Bas63 viel op vanwege zijn ongewoon ingewikkelde structuur, zelfs zichtbaar via basismicroscopie. Deze unieke architectuur maakte het een ideale kandidaat voor diepgaande structurele analyses met behulp van de allernieuwste technologie.
Cryo-EM: een venster op de microscopische wereld
De onderzoekers maakten gebruik van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), een krachtige techniek waarmee wetenschappers moleculen in bijna atomaire details kunnen visualiseren door ze te flitsen en hun beelden vast te leggen met een elektronenstraal. Ze gebruikten een nieuwe ‘panning’-techniek binnen cryo-EM, waarbij de faagstructuur in wezen stap voor stap werd verlaagd en de reconstructie in elke fase werd verfijnd.
Door deze structurele informatie met hoge resolutie te combineren met genetische gegevens (aminozuursequenties) kregen ze een ongekend inzicht in de architectuur van Bas63. Hierdoor konden ze elk belangrijk eiwit tot in opmerkelijk detail identificeren en in kaart brengen. De resultaten onthulden fascinerende kenmerken, zoals unieke eiwitten die de capside van de faag versieren (de eiwitomhulling die het genetische materiaal omhult) en een zeldzame snorhaar-en-kraagstructuur die de kop met zijn staart verbindt – elementen die je niet vaak ziet bij andere fagen van dit type.
Beyond Medicine: een faag voor elk doel?
De gedetailleerde kaart van Bas63 opent opwindende mogelijkheden die verder gaan dan de behandeling van bacteriële infecties. Het identificeren van specifieke regio’s binnen de faag die zich aan bacteriën binden, zou wetenschappers in staat kunnen stellen fagen te ontwikkelen met een grotere targetingprecisie, waardoor ze ervoor kunnen zorgen dat ze alleen schadelijke bacteriën aanvallen terwijl de nuttige bacteriën ongedeerd blijven.
Bovendien benadrukken de onderzoekers dat toepassingen veel verder reiken dan de geneeskunde:
- Landbouw: Beheersing van plantpathogenen en verhoging van de gewasopbrengsten
- Aquacultuur: Bestrijding van bacteriële ziekten bij gekweekte vis en schaaldieren
- Biotechnologie: Gebruik van fagen voor bioremediatie (opruimen van vervuiling) of industriële processen zoals voedselproductie en afvalwaterzuivering
Een blauwdruk voor de toekomst
Professor Matthias Wolf, leider van de Molecular Cryo-Electron Microscopy Unit bij OIST, benadrukt de bredere implicaties: “Door dit niveau van structureel inzicht en biologisch begrip te bieden, kunnen we rationeel faagontwerp mogelijk maken en de manier waarop ziekten worden behandeld transformeren.”
De gedetailleerde blauwdruk van Bas63 biedt onderzoekers een krachtig hulpmiddel om fagen aan te passen aan specifieke behoeften, waarmee een tijdperk van gepersonaliseerde faagtherapieën en innovatieve toepassingen in diverse industrieën wordt ingeluid. De bevindingen tonen het transformatieve potentieel van nauwgezette structurele analyse, en maken de weg vrij voor het ontsluiten van het microscopische arsenaal van de natuur ten behoeve van de mensheid en daarbuiten.
