Bacteriën kunnen regelen hoe snel ze muteren

Als bacteriën het moeilijk krijgen, muteren ze om te overleven: bij de vele mutaties zitten altijd wel een paar varianten die maken dat de bacterie overleeft en zich verder kan voortplanten. Maar in normale omstandigheden is muteren gevaarlijk, want de meeste mutaties verzwakken de bacteriën.

De kunst is dus om het evenwicht tussen te veel en te weinig mutaties te behouden. Als dat evenwicht zoek is, treedt er hypermutatie op: dan muteert een cel veel sneller dan normaal, met na verloop van tijd de dood tot gevolg.

Omdat de wetenschappelijke kennis over hypermutatie tot nu toe beperkt is, gingen Leuvense onderzoekers van het Centrum voor Microbiële en Plantengenetica na wat er precies gebeurt met de mutatiegraad van de darmbacterie Escherichia coli.

“Die klinkt misschien vooral bekend als een oorzaak van diarree, maar de meeste E.coli-stammen zijn onschuldige darmbewoners bij mens en dier”, vertelt professor Jan Michiels op de website KU Leuven Nieuws. “Blootstelling aan hoge concentraties ethanol die bijna dodelijk zijn, lokte bij de E.coli hypermutatie uit. Verrassend genoeg zagen we dat de bacterie kan schakelen in de snelheid van de hypermutatie: sneller muteren bij hoge concentraties ethanol en trager muteren bij lagere concentraties. Van zodra het gevaar geweken is, gaat de bacterie op de rem staan en keert ze terug naar de normale toestand zonder hypermutatie.”

E. coli-bacteriën die aan conjugatie doen, wat ook wel omschreven wordt als "bacteriële seks". Een donorbacterie vormt een zogenoemde pilus, een hol haarachtig buisje, en langs daar wordt genetisch materiaal doorgegeven aan een andere bacterie, of via meerdere pili, aan meerdere bacteriën. Als bacteriën gunstige mutaties ontwikkeld hebben, worden die vaak op deze manier doorgegeven. Dat is onder meer het geval met genetisch materiaal dat hen resistent maakt tegen bepaalde geneesmiddelen.

Dankzij de hypermutatie konden de onderzoekers E.coli-mutanten selecteren die heel goed bestand zijn tegen ethanol. Dat biedt nieuwe perspectieven in het onderzoek naar de productie van biobrandstof.

“Bij de productie van biobrandstof wordt ethanol gevormd uit suiker afkomstig uit afvalstromen zoals plantenresten. De E.coli-bacterie kan daarvoor ingezet worden: ze kan suikers omzetten naar ethanol, maar uiteindelijk gaat ze dood aan de ethanol die ze zelf produceert. Door de hypermutatie hebben we nu varianten verkregen die minder gevoelig zijn voor ethanol en die snel groeien. Dat betekent dat we hiermee in de toekomst efficiënter biobrandstof zouden kunnen produceren”, zei professor Michiels.

“Een andere toepassing is de strijd tegen de resistentie van bacteriën tegen antibiotica of van kankercellen bij chemotherapie”, voegt doctoraatsstudent Toon Swings toe. “Antibiotica betekenen uiteraard een dodelijke bedreiging voor bacteriën. Zij beschermen zich door te muteren en worden zo resistent tegen antibiotica. Hetzelfde geldt voor kankercellen na een behandeling. Als we daar hypermutatie zouden kunnen blokkeren, zou dat een mogelijke therapie of neventherapie kunnen vormen.”

De studie is gepubliceerd op de website van het blad "eLIFE".