Farmaceutisch onderzoek Moerasbacteriën kunnen zorgen voor nieuwe medicijnen

Farmaceutische onderzoekers gebruiken de natuur vaak als blauwdruk voor de ontwikkeling van nieuwe werkzame stoffen. Een internationale onderzoeksgroep heeft nu het genoom van moerasbacteriën geanalyseerd om beter te begrijpen wanneer bepaalde syntheseprocessen voor natuurlijke stoffen in gang worden gezet.

Veel van de belangrijkste geneesmiddelen – met name antibiotica – zijn gebaseerd op stoffen die bacteriën in de natuur produceren. De micro-organismen gebruiken deze werkzame moleculen als biochemische wapens tegen concurrenten, of ze binden er voedingsstoffen uit de omgeving mee. Hoe groot de microbiële gereedschapskist uit extreme leefomgevingen is, blijkt uit een nieuw onderzoek van een onderzoeksteam van het excellentiecluster „Balance of the Microverse“ van de Friedrich-Schiller-Universiteit Jena (FSU), waaraan de Heinrich-Heine-Universiteit Düsseldorf (HHU), de Universiteit van Delaware en het Duitse Centrum voor Integratief Biodiversiteitsonderzoek (iDiv) Halle-Jena-Leipzig aan meewerkt. De onderzoekers hebben daarbij het genoom van bacteriën uit een veengebied onder de loep genomen, zoals zij in een recente publicatie melden. Voor hun analyse onderzochten de onderzoekers veenmonsters uit het Schlöppnerbrunnen-moeras in het Beierse Fichtelgebergte. Met behulp van high-throughput-sequencing en zogenaamde metagenomica – waarbij het genoom van een gehele levensgemeenschap rechtstreeks uit een milieumonster wordt geanalyseerd – ontcijferden ze het genoom van de microben die daar voorkomen.

Talrijke tot nu toe onbekende genclusters ontdekt

Na het verwijderen van onvolledige fragmenten stuitten de onderzoekers op iets meer dan 8.000 zogenaamde biosynthetische genclusters: stukken genetisch materiaal die coderen voor het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de synthese van biologisch actieve verbindingen. Wat de onderzoekers verraste: ongeveer 97 procent daarvan kon niet worden ingedeeld in een tot nu toe bekende genclusterfamilie. Ze vormen een tot nu toe onbekend biochemisch landschap. 

Zelfs een klein moeras herbergt een verbazingwekkende verscheidenheid aan bouwplannen voor natuurlijke stoffen. Veel daarvan zijn afkomstig van micro-organismen die we tot nu toe in het laboratorium maar moeilijk kunnen onderzoeken.

Eerste auteur: dr. Zander Human, Friedrich-Schiller-Universiteit Jena

Een bouwplan in het genoom betekent echter niet automatisch dat de betreffende stof ook daadwerkelijk in de natuur wordt aangemaakt. De auteurs van het onderzoek gingen daarom een stap verder en analyseerden het zogenaamde boodschapper-RNA (mRNA) om de actief gebruikte genen in het moeras in kaart te brengen. Hun opmerkelijke bevinding: Slechts ongeveer 9 tot 27 procent van de aangetoonde genclusters was überhaupt actief. Bacteriegroepen die een groot genetisch potentieel voor natuurlijke stoffen vertoonden – met deels meer dan 20 verschillende bouwplannen in het genoom – vertoonden in het moeras daarentegen slechts een beperkte metabolische activiteit. 

In plaats daarvan domineerden de zogenaamde acidobacteriën: hoewel ze in vergelijking een kleiner genrepertoire hebben, was ruim twee derde van de gemeten gensignalen afkomstig van hen. De gegevens laten bovendien een duidelijk patroon zien: de acidobacteriën activeerden de genen waarmee ze natuurlijke stoffen produceren vooral wanneer ze tegelijkertijd enzymen gebruikten om complexe plantenresten af te breken. Beide processen zijn dus blijkbaar rechtstreeks met elkaar gekoppeld.

Onder welke omstandigheden worden genen geactiveerd?

„Het aantal bouwplannen op zich zegt weinig over wat een micro-organisme daadwerkelijk in zijn leefomgeving doet. We moeten ook begrijpen onder welke omstandigheden het deze genen activeert”, benadrukt corresponderend auteur dr. Carl-Eric Wegner van de FSU en de HHU; hij was een van de hoofdonderzoekers. Hij leidde een deelproject dat verbonden is aan het excellentiecluster „Balance of the Microverse“. Het in Jena gevestigde cluster onderzoekt hoe microbiële gemeenschappen met elkaar interageren en zo het evenwicht in complexe ecosystemen in stand houden. Wegner zette zijn werk op dit gebied voort nadat hij naar Düsseldorf was verhuisd.

„Moerassen zijn dynamische leefgebieden met scherpe milieuverschillen – bijvoorbeeld wat betreft het zuurstofgehalte of de beschikbare voedingsstoffen. Onze studie toont op indrukwekkende wijze aan dat de productie van natuurlijke stoffen niet op zichzelf staat, maar nauw verweven is met het fysiologische evenwicht en de stofkringlopen van de microben”, legt prof. dr. Kirsten Küsel van de FSU, medeauteur van de studie en woordvoerster van het excellentiecluster, uit.

Het aantal biosynthetische genclusters is op zichzelf niet doorslaggevend

Het onderzoek levert belangrijke inzichten op voor de farmaceutische biotechnologie bij het gericht zoeken naar toekomstige geneesmiddelen. Tot nu toe richtte het onderzoek naar natuurlijke stoffen zich vooral op genoomscreening van bekende bacteriegroepen zoals actinobacteriën of pseudomonaden, die een groot aantal biosynthetische genclusters in hun genoom bevatten. Dr. Zander Human van de FSU, eerste auteur van de studie: „Het bleek dat het niet voldoende is om alleen te zoeken naar de genomen met de meeste bouwtekeningen. Veel belangrijker is onder welke ecologische omstandigheden microben hun ‘genetische gereedschapskist’ openen. Zo komen tot nu toe verwaarloosde groepen, zoals de acidobacteriën, in de schijnwerpers van het onderzoek naar natuurlijke stoffen te staan.”

Carl-Eric Wegner: „Deze zogenaamd getalenteerde producenten blijven in hun natuurlijke omgeving echter meestal stil. In de praktijk betekent dit: om de stille genclusters in het laboratorium te kunnen activeren, moeten we gericht de juiste ecologische prikkels van hun natuurlijke leefomgeving nabootsen – bijvoorbeeld door complexe plantenvezels of specifieke voedingsprikkels toe te voegen. Bovendien bieden de tot nu toe meestal verwaarloosde en moeilijk te kweken stamgroepen, zoals de acidobacteriën, mogelijk toegang tot geheel nieuwe klassen moleculen, die in de toekomst bijvoorbeeld kunnen worden ingezet in de strijd tegen resistente ziektekiemen of ernstige ontstekingsziekten.”

Oorspronkelijke publicatie: Zander Rainier Human, Rene Hoover, Clara Chan, Kirsten Küsel en Carl-Eric Wegner. Grote diversiteit maar beperkte expressie van biosynthetische genclusters in een microbiële gemeenschap in een veengebied. Nature Communications 17:10529 (2026)