Signaalmoleculen aanpassen om te voorkomen dat bacteriën met elkaar ‘praten’

Temperatuurprofiel en stroomverbruik tijdens microgolf-geassisteerde solvothermische synthese (A) zonder en (B) met HalSiC-R verwarmingsstaven. Bij afwezigheid van HalSiC-R verwarmingsstaven kon slechts één reactie worden uitgevoerd. In aanwezigheid van HalSiC-R staven werden gelijktijdig 12 reactievaten verwarmd. Credit: ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.2c04377

Bacteriën houden van vochtige oppervlakken. Als ze zich daar eenmaal hebben gevestigd, leven ze niet als solitaire organismen, maar vormen ze grotere gemeenschappen die zijn ingebed in een beschermende film. Deze biofilms komen voor op verschillende ondergronden, bijvoorbeeld thuis op lichtschakelaars, in de badkamer, op speelgoed of toetsenborden, op winkelwagentjes of geldautomaten die veel mensen met hun handen aanraken. Dit kan leiden tot contactinfecties.

De bacteriën, zoals de pathogene bacterie Pseudomonas aeruginosa, zijn vaak persistent en tarten het lichaamseigen immuunsysteem of chemische biociden. Huidige onderzoeksbenaderingen proberen daarom bacteriële kolonisatie van materiaaloppervlakken te voorkomen of in ieder geval moeilijker te maken. Een team van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en het Duitse Federale Instituut voor Hydrologie (BfG) in Koblenz heeft nu een nieuwe aanpak ontwikkeld met behulp van ceria-nanodeeltjes.

Gemodificeerde signaalmoleculen voorkomen de vorming van biofilms

Voor het bacteriële leven in gemeenschappen is het belangrijk dat de individuele cellen met elkaar “praten”. De communicatie verloopt non-verbaal met behulp van signaalmoleculen die continu naar de omgeving worden uitgezonden, waardoor afhankelijk van de specifieke bacterie verschillende “talen” en “dialecten” kunnen ontstaan.

Naarmate de bacteriële concentratie toeneemt, neemt ook de concentratie van de signaalmoleculen toe. Hierdoor kunnen bacteriën het aantal andere bacteriën in hun omgeving detecteren en processen activeren die de vorming van biofilms mogelijk maken. Om kolonisatie met bacteriële biofilms te voorkomen, verdedigen verschillende gastheren zichzelf met een strategie die de bacteriën “tot zwijgen brengt” door de signaalmoleculen enzymatisch te modificeren.

Dit gebeurt bijvoorbeeld met behulp van haloperoxidasen, een groep enzymen die signaalmoleculen halogeneren via een complexe reactieketen. Deze gemodificeerde signaalmoleculen hebben een vergelijkbare structuur als de oorspronkelijke moleculen en kunnen nog steeds aan receptoren binden. Ze kunnen echter niet langer de procesketens activeren die leiden tot biofilmvorming.

Deze interferentie in bacteriële genregulatie is ook van farmacologisch belang, omdat pathogene bacteriën de aanval van de immuunafweer of het effect van antibiotica kunnen ontwijken door biofilms te vormen.

Ceria-nanodeeltjes nemen de functie van natuurlijke enzymen over

De onderzoekers uit Mainz en Koblenz bootsen deze processen na met nanodeeltjes van ceriumdioxide (CeO₂). Directeur₂ nanodeeltjes zijn, zoals de onderzoekers uitleggen in hun recente artikel in ACS Nanoeen functionele vervanger voor haloperoxidase-enzymen.

De moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan biofilmremming zijn echter moeilijk in detail te ontrafelen, omdat er niet alleen veel competitieve reacties plaatsvinden in bacterieculturen, maar ook grote aantallen andere biomoleculen aanwezig zijn naast de gehalogeneerde signaalmoleculen. De samenwerkingspartners uit Mainz en Koblenz demonstreren de enzym-analoge katalytische deelname van de CeO₂ nanodeeltjes via een analyse van de reactiecascade op moleculair niveau.

De gehalogeneerde signaalmoleculen werden voor het eerst geïdentificeerd in modelreacties. In bacterieculturen was hun detectie niet direct mogelijk omdat de producten te snel worden afgebroken. Chromatografische opwerking en massaspectrometrische analyse onthulden echter onverwacht de vorming van verdere gehalogeneerde signaalmoleculen uit de familie van zogenaamde chinolonen.

Hieruit blijkt dat de CeO₂ nanodeeltjes interfereren met biologische processen, net als inheemse enzymen, door signaalmoleculen te modificeren en te inactiveren.

Antibacteriële oppervlakken zonder risico op resistentievorming mogelijk gemaakt

“Ceriumdioxide is niet giftig, chemisch zeer stabiel en zit bijvoorbeeld in moderne katalysatoren voor uitlaatgassen”, zegt dr. Eva Pütz, die haar proefschrift over dit project uitvoerde. Ze is ervan overtuigd dat ceriumdioxide een levensvatbaar en kosteneffectief alternatief is voor conventionele biociden.

“Een praktische toepassing van onze bevindingen is om de groei van bacteriën te blokkeren en bacteriële infecties te voorkomen,” zei ze. De signaalmoleculen van chinolon leiden tot de vorming van kleine kolonievarianten in de multiresistente bacterie Staphylococcus aureus, die vaak diagnostisch niet detecteerbaar zijn. “Omdat de gehalogeneerde chinolon-signaalmoleculen kolonievorming onderdrukken, kunnen gevaarlijke infecties door bijvoorbeeld P. aeruginosa en S. aureus worden voorkomen met behulp van verfdispersies die CeO bevatten₂ nanodeeltjes,” voegde Dr. Athanasios Gazanis toe, die de microbiologische aspecten onderzocht in zijn proefschrift.

“Hier hebben we een milieuvriendelijke component voor een nieuwe generatie antibacteriële oppervlakken die het afweersysteem van de natuur nabootsen. Het belangrijkste is dat het niet alleen in het laboratorium werkt, maar ook in het dagelijks gebruik”, zegt Nils Keltsch, die de biologische sporenanalyse uitvoerde in zijn proefschrift.

Het gevaar bij het bestrijden van biofilms met biociden en antibiotica is de vorming van resistentie. Dit zou echter op een milieuvriendelijke manier effectief kunnen worden omzeild door polymeren te coaten met CeO₂ nanodeeltjes.