Bacteriën zijn de nieuwe supertools

Bacteriën vervullen in de natuur een essentiële rol. Wetenschappers maken daar nu gebruik van om de brandstoffen en medicijnen van de toekomst te produceren.

Bacteriën hebben geen fijne reputatie. Het woord roept direct vervelende associaties op met het ziekenhuis, bedorven eten of een in een maandenlange lijdensweg veranderde droomvakantie. Bacteriën, daar wil je liever niets mee te maken hebben. Natuurlijk is dat schier onmogelijk. Al was het maar omdat voor elke cel in je lichaam ook tien bacteriën in te vinden zijn. Dat weten we dankzij grootschalig onderzoek door het Amerikaanse National Institute of Health (NIH). Het Human Microbiome Project, waar ruim 200 wetenschappers van bijna 80 verschillende universiteiten aan meewerkten, bracht de microkosmos van ons lichaam nauwkeurig in kaart.

Wat blijkt: ons lichaam wordt door zo'n 10.000 verschillende soorten bacteriën bewoond. Dat betekent dat een volwassene met een gezond lichaam van 90 kilo triljarden onzichtbare levensvormen met zich meedraagt, die een gezamenlijk gewicht van bijna 3 kilo kunnen bereiken. Belangrijke verzamelplek is ons spijsverteringsstelsel, waar bacteriën helpen om eiwitten, vetten en koolhydraten om te zetten in bruikbare voedingsstoffen. Dat dit bij verschillende mensen ook verschillende microbacteriële soorten zijn, is mogelijk een belangrijke reden waarom sommige mensen sneller ziek of dik worden dan anderen.

Chemische fabriekjes

Koppel aan die wetenschap de kennis dat miljarden andere bacteriesoorten hun onzichtbare invloed uitoefenen op de wereld buiten ons lichaam, en je begrijpt hoe waardevol deze levende chemische fabriekjes kunnen zijn. Steeds meer wetenschappers onderzoeken daarom hoe ze op constructieve manieren kunnen worden ingezet. Belangrijke aandachtspunten van deze biotech-sector zijn mogelijkheden om afval te verwerken, brandstoffen te produceren en nieuwe medicijnen te ontwikkelen. En soms gaan dat heel goed samen, zeker als de bacteriën een handje geholpen worden.

Met behulp van gentechnologie, waarmee het DNA van levende wezens kan worden aangepast, is het namelijk mogelijk bacteriesoorten subtiel te veranderen. Een van de meest opzienbarende wetenschappelijke doorbraken van 2015 was CRISPR, een 'genetische knip- en plakset' waarmee het DNA van levende cellen naar believen kan worden gemanipuleerd. Op deze manier produceerden onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) bijvoorbeeld microben die koolstofdioxide en andere giftige uitlaatgassen 'eten'. En alsof het nog niet genoeg is dat die beestjes op deze wijze grote hoeveelheden schadelijk broeikasgas onschadelijk maken, produceren ze in één moeite door ook nog een waardevolle biobrandstof.

Brandstof uit afval

Dat is goed nieuws voor iedereen. Maar vooral voor elektriciteitscentrales, staalfabrieken en andere bedrijven die steeds strengere milieu-eisen opgelegd krijgen. De onderzoekers testten de inmiddels gepatenteerde technologie het afgelopen jaar bij een staalfabriek in Shanghai, waar luchtverontreiniging inmiddels is uitgegroeid tot een plaag die jaarlijks duizenden slachtoffers eist. "Het gaat om een geïntegreerd systeem waar je uitlaatgas inbrengt en biodiesel uithaalt", aldus professor Gregory Stephanopoulos van het MIT. "Dat betekent dat je niet alleen brandstof uit afval produceert, maar ook de Co2-footprint van de fabriek kunnen verlagen."

Dat trucje is ook toepasbaar op veel andere afvalstoffen. Toyota heeft bijvoorbeeld een manier gevonden om hun nieuwste pilot car, de Mirai, op menselijke uitwerpselen te laten rijden. Met een paar tussenstapjes uiteraard. In de waterzuiveringsinstallatie van de stad Fukuoka filtert de Japanse autoproducent daartoe alle 'vaste' materie als voedingsbodem voor bacteriën. Het hierna geproduceerde gas wordt gemixt met 'verneveld' rioolwater. Zo ontstaat uiteindelijk het zeer schone en milieuvriendelijke waterstof: de brandstof waar de Mirai op rijdt. In Californië rijden er al tientallen rond, en kunnen ze in 20 tankstations terecht. Gezien de universele beschikbaarheid van de grondstof ziet Toyota de Mirai de komende jaren echter als een serieuze concurrent voor de elektrische auto.

Resistente bacteriën

Zo verrichten bacteriën dus een kunstje waar alchemisten al eeuwen geleden van droomden: ze veranderen lood in goud. Dat kan waardevolle brandstof zijn, maar bijvoorbeeld ook een levens reddend medicijn. Wellicht heb je recent al iets meegekregen van de opkomst van schadelijke bacteriën die resistent worden voor de huidige generatie antibiotica. En de horrorverhalen op van patiënten die daardoor levend worden opgegeten. Niet voor niets trok een onderzoek door twee Leidse onderzoekers vorig jaar de aandacht van de voltallige wetenschappelijke wereldpers. Daniel Rozen en Gilles van Wezel ontdekten namelijk dat bacteriën zelf ook antibiotica produceren in voortdurend voorkomende oorlogen tussen concurrerende bacteriestammen. Die stoffen worden straks ook ingezet om mensenlevens te redden.

Dat geldt ook voor de harakiri-achtige bacteriesoort die kankercellen van binnenuit kan vernietigen. De afgelopen jaren sleutelden MIT-professor Jeff Hasty met zijn team onderzoekers aan een salmonella bacterie die een stof produceert die de groei van tumoren afremt. Op zichzelf al een biotechnologisch kunststukje. Hasty ging echter nog een stap verder. De bacterie die hij met behulp van genetische manipulatie creëerde is namelijk in staat om midden in de zuurstofloze omgeving van een kankercel te groeien.

Levensreddende medicijnen

Dat is dus precies de plek die veel medicijnen maar heel moeilijk kunnen bereiken. Nadat de behandelend arts de bacterie injecteert in de tumor nestelt die zich in de kankercellen. Daar produceert het micro-organisme een eiwit dat de tumor van binnen uit aanvalt. Zo worden de schadelijke kankercelen vernietigd, maar blijven omliggende gezonde cellen gespaard. Bij experimenten op muizen, waarbij de inzet van de salmonellabacterie werd gecombineerd met lichte chemotherapie, leefden de behandelde proefdieren nu al vijftig procent langer.

Het kunnen manoeuvreren in het menselijk lichaam is al een wetenschappelijke wensdroom sinds in 1987 de science fiction film Innerspace uitkwam. Daarbij wordt hoofdrolspeler Dennis Quaid ingekrompen tot microbe, en geïnjecteerd in een niets vermoedende winkelbediende. Aangezien het inkrimpen van mensen voorlopig niet tot de wetenschappelijke mogelijkheden zal behoren, werken MIT-collega's van professor Hasty nu aan de productie van extreem kleine robots. Deze robotic bacteria moeten straks in staat zijn elk gewenst medicijn op elke plek in het lichaam af te leveren

Nederlandse vinding

Om de robots door het lichaam te verplaatsen maakt het team onder leiding van professor Alfredo Alexander-Katz gebruik van een deels Nederlandse vinding. De microscopische kleine metalen kraaltjes die door een magnetisch veld om elkaar heen gaan draaien - als een soort hightech buitenboordmotor - bezorgden de Nederlandse scheikundige Ben Feringa in oktober een Nobelprijs. Alexander-Katz gebruikt de micromotor om gouddeeltjes met medicijnen door het lichaam te manoeuvreren. Uit eerder onderzoek blijkt dat deze deeltjes vrijwel ongehinderd het membraam van menselijke cellen kunnen binnendringen.

Zo veranderen wetenschappers dus niet alleen lood in goud, maar transformeren ze goud vervolgens ook in een medium voor levensreddende medicijnen.