Hoe veranderen bacteriën in moeilijk te bestrijden ‘superbugs’? De sterkste varianten overleven, mede dankzij samenwerking met virussen. Die chaotische ‘dans’ is nu in kaart gebracht door wetenschappers.
Als iemand met een bacteriële infectie bij de dokter komt, is die infectie al even aan de gang en is eigenlijk onbekend hoeveel de bacterie ondertussen is veranderd. Bacteriën kunnen razendsnel evolueren, en een arts moet het dus doen met de informatie die op dat moment voorhanden is. Maar hoe ontpopt een bacterie zich tot een hardnekkige infectie?
Het antwoord zou kunnen zijn: bacteriofagen. Dat zijn virussen die bacteriën aanvallen en die overal te vinden zijn waar bacteriën ook zijn. De verhitte strijd – en soms ook samenwerking – tussen fagen en verschillende bacteriestammen brengt de evolutie van bacteriën in een stroomversnelling.
Schijnbare competitie
Microbiologen van de Amerikaanse Universiteit van Pittsburgh onderzochten de vroege evolutie van bacteriën in huidwonden. Ze maakten brandwonden bij twee varkens en infecteerden die met zes verschillende stammen van de bacterie Pseudomonas aeruginosa. Deze infecties volgden ze 28 dagen. Vervolgens keken ze naar veranderingen in het DNA van de bacteriën.
Tussen de bacteriën dook een bepaalde variant op die vaak voorkomt bij chronische infecties en moeilijk te behandelen is. In het genoom van deze hardnekkige variant vonden de onderzoekers DNA dat niet van de bacterie zelf kwam. Dit DNA, afkomstig van bacteriofagen, zat op een plek in het bacteriegenoom waar het een cruciaal gen uitzette. Als dit gen uitstaat, leidt dat tot een chronische en hardnekkige infectie. Ook andere soortgelijke genen waren op die manier uitgeschakeld door het fagen-DNA.
Bacteriofagen kunnen dus een sleutelrol spelen in de strijd tussen bacteriestammen om te overleven in een nieuwe omgeving, zoals een huidwond. Bepaalde bacteriën krijgen met behulp van de fagen een voorsprong, door zichzelf sterker te maken en zwakke concurrenten uit te schakelen. Dat heet ook wel schijnbare competitie. Het lijkt alsof de bacteriën onderling strijden, maar eigenlijk concurreren ze via de bacteriofagen, die bepaalde bacteriestammen een voordeel geven. Kortom: de vijand van je vijand is je vriend.
Barstende bacteriën
Sommige bacteriofagen helpen bacteriën en verergeren de infectie, zo laat deze studie zien. Andere fagen vormen juist een mogelijke oplossing voor multiresistente bacteriën. Dat verschil zit hem onder andere in hoe de bacteriofagen zich vermenigvuldigen. Dat kan op twee manieren: via de lytische of lysogene cyclus.
Via de lytische cyclus vermeerdert de bacteriofaag zich razendsnel in de bacterie, waardoor de bacteriecel openbarst en doodgaat. De bevrijde bacteriofagen gaan vervolgens op zoek naar een nieuwe gastheer. Lytische bacteriofagen zijn door hun vermogen om bacteriën te laten barsten heel geschikt om antibioticaresistente bacteriën te bestrijden. Daarom worden deze virussen gebruikt bij fagentherapie.
De lysogene cyclus, die ook een rol speelde bij de bacteriofagen in de varkens, werkt anders. De bacteriofagen plakken hun genetisch materiaal in het DNA van de gastheerbacterie. De bacterie kopieert dat DNA dan mee als hij zich vermenigvuldigt. De faag ‘slaapt’ als het ware in het genoom van de bacterie. Pas als de bacterie het moeilijk krijgt, door stress of voedseltekort bijvoorbeeld, komt de bacteriofaag in actie en laat hij de bacterie alsnog barsten. Tot die tijd leven ze ‘in vrede’ samen.
Samenleven
Lysogene bacteriofagen bouwen hun genetisch materiaal dus in het bacteriegenoom in en gaan niet meteen over tot agressieve actie zoals de lytische soorten. Dat genetisch materiaal kan nieuwe eigenschappen bevatten waar de bacterie van zou kunnen profiteren, zoals antibioticaresistentie.
Bacteriën kunnen die genen overnemen van de bacteriofagen, maar de fagen kunnen ook bepaalde genen in de bacteriën uitschakelen, die het voortbestaan van zowel faag als bacterie bevorderen. Dat laatste was het geval in bacteriën in de varkens. Bacteriofagen helpen de bacteriën zo aan gunstige eigenschappen die een cruciale rol spelen in de evolutie van bacteriestammen.
‘De bacteriofaag helpt de bacterie dus een handje om in een nieuwe omgeving, zoals een brandwond, uit te groeien. Hij versnelt het evolutionaire proces’, zegt Bas Dutilh, bio-informaticus aan de Universiteit Utrecht. ‘Als de bacterie goed blijft groeien en voordeel heeft van de aanwezige faag, blijven ze samenleven.’
Genomen uitlezen
Het samenspel tussen bacteriën en fagen is geen verrassing. ‘Dat lysogene bacteriofagen bacteriën kunnen veranderen in ziekmakende varianten, is al langer bekend’, licht Dutilh toe. ‘Zo zorgt een faag ervoor dat een onschuldige stam van de cholerabacterie levensgevaarlijk wordt.’ Maar dat dat nu in zo veel detail is uitgezocht bij de vroege evolutie van bacteriën is erg mooi, zegt hij. ‘Het is heel spannende wetenschap.’
Hoe helpt deze kennis bij het aanpakken van antibioticaresistente infecties? Als bio-informaticus kijkt Dutilh vooral naar DNA, en hij zou ook het liefst zien dat we bij geïnfecteerde patiënten altijd de genomen van bacteriën en virussen uitlezen, net zoals in de studie met de varkens is gedaan. ‘Dat biedt veel inzicht in welke veranderingen de ziekteverwekker heeft doorgemaakt. Ook kun je zo zien of het DNA van een faag is terug te vinden in het bacteriegenoom.’
Nu doen we dat vooral bij uitbraken, zoals bij de huidige coronapandemie. Maar in deze genetische informatie liggen dus ook nieuwe handvatten verscholen om de strijd aan te gaan met ‘superbugs’.
