Hoe bacteriën overleven met bijna geen zuurstof
Leidse onderzoekers hebben voor het eerst gezien hoe een speciaal enzym bacteriën in leven houdt bij zuurstofgebrek – en hoe je dat proces kunt blokkeren. Dat opent nieuwe perspectieven voor gerichte antibiotica.
Het bestaat: een geheim trucje waarmee bacteriën kunnen overleven met heel weinig zuurstof. Dat geldt ook voor bacteriën die ons ziek maken. ‘Deze bacteriën hebben, net als wij, zuurstof nodig om te overleven’, vertelt promovendus Tijn van der Velden. ‘Maar in tegenstelling tot mensen beschikken ze over een speciaal enzym, cytochroom bd, waarmee ze zelfs bij heel weinig zuurstof energie blijven maken.’ Juist omdat het zo belangrijk is voor de overleving van bacteriën, vormt het een interessant doelwit van nieuwe antibiotica, bijvoorbeeld voor de behandeling van tuberculose.
Meer kijktijd, scherper beeld
Wetenschappers proberen al jaren te begrijpen hoe cytochroom bd precies werkt, en hoe (bestaande) remmers het enzym blokkeren. Maar dat bleek lastig: het relevante deel van het enzym is erg flexibel en daardoor te beweeglijk om scherp in beeld te krijgen. ‘We moesten het op één of andere manier stabiliseren’, legt Van der Velden uit.
En dat is gelukt. Dankzij de nieuwe Glacios-microscoop, gefinancierd door het Oncode Acceleratorproject (zie kader onderaan), konden de onderzoekers het enzym op atomair niveau bestuderen. Dat deden ze in E. coli, een veelgebruikte modelbacterie.
Voorheen gebruikten de onderzoekers de geavanceerde Krios-microscoop van het nationaal meetinstituut NeCEn. ‘Maar die is vaak zo druk bezet dat je maar één of twee meetmomenten hebt, en dan moet het meteen goed zijn,’ vertelt begeleider Lars Jeuken. ‘Nu konden we metingen herhalen, aanpassen, en onze aanpak stap voor stap verbeteren.’
Mildere methode onthult stabiel enzym
De sleutel bleek uiteindelijk een aanpassing in de stap waarin het enzym uit het vetachtige celmembraan van de bacterie wordt gehaald, een noodzakelijke stap om het te kunnen bestuderen. Chemici gebruiken daar normaal een krachtigere zeep voor, maar in dit onderzoek kozen de onderzoekers voor een mildere variant.
Dat had een belangrijk effect. ‘Toen we deze zeep gebruikten, kwamen de enzymen los als dimeren: twee identieke eiwitten die als twee-eenheid aan elkaar vastzitten,’ zegt Van der Velden. Bij krachtigere zeep viel het enzym waarschijnlijk uit elkaar, waardoor alleen losse, instabiele eiwitten zichtbaar waren.
De dimeren bleken stabieler en minder beweeglijk, waardoor de onderzoekers het flexibele deel nu duidelijk konden bekijken. ‘Daardoor zagen we voor het eerst hoe dit enzym functioneert’, zegt Van der Velden. ‘Dat is nog nooit iemand gelukt,’ voegt Jeuken toe.
Een remmer die het enzym vervormt
Naast de werking van het enzym zelf zagen de onderzoekers ook hoe een remmer het enzym uitschakelt. Ze gebruikten hiervoor een bekende remmer voor E. coli.
‘Dit is een bijzondere manier van remmen die we nog niet vaak hebben gezien.’
Remmers lijken vaak op de natuurlijke stof die aan het enzym bindt en daar normaal wordt omgezet. Een remmer bezet de bindingsplek en blokkeert die, waardoor het enzym zijn werk niet meer kan doen. Maar hier gebeurde iets speciaals.
‘In dit geval bindt de remmer niet alleen aan de bindingsplek, maar verandert het ook de vorm van het enzym,’ aldus Van der Velden. Hij vouwt het enzym op een andere manier, waardoor de plek waar de reactie plaatsvindt wordt dichtgedrukt. Een bijzondere manier van remmen die we nog niet vaak hebben gezien.’
Bacteriën gericht uitschakelen
De onderzochte remmer is zelf nog geen medicijn. ‘De stof is ook schadelijk voor menselijke cellen,’ zegt Jeuken. ‘Het doodt bacteriën, maar helaas ook onszelf.’
Toch is juist deze remmer waardevol voor onderzoek. Van der Velden: ‘We hebben voor het eerst op atomaire schaal kunnen zien wat er in zo’n eiwit gebeurt, hoe het voor de bacterie cruciale energie levert én hoe het wordt geremd. Dit hervouwingsmechanisme kunnen andere wetenschappers gebruiken om nieuwe remmers te ontwikkelen, die niet giftig zijn voor ons, maar wel voor bacteriën. Daarmee begrijpen we steeds beter hoe je dit soort belangrijke enzymen gericht kunt uitschakelen.’
Wetenschappelijk artikel
Tijn T. van der Velden et al. Visualizing the mechanism of quinol oxidation and inhibition of a bd-type oxidase using cryo-EM. Science Advances 12, eaec9946 (2026).
Oncode-microscoop bij NeCEN
De Glacios-microscoop is in 2024 geplaatst bij het Netherlands Centre for Electron Nanoscopy (NeCEN) in Leiden. De investering komt uit het Oncode Accelerator-programma. Dit is een publiek-private samenwerking, gedeeltelijk gefinancierd door het Nationaal Groeifonds, met als doel de ontwikkeling van nieuwe kankertherapieën te innoveren en te versnellen. Hierbij staan kankerpatiënten centraal in de preklinische therapieontwikkeling. Het is een samenwerking tussen zes coördinerende partners: de Universiteit Leiden, het Leids Universitair Medisch Centrum, het Nederlands Kanker Instituut, het Prinses Máxima Centrum, UMC Utrecht en de Oncode Accelerator Foundation.
Voor wie?
De Glacios-microscoop wordt ingezet binnen Demonstrator Projects: gezamenlijke preklinische onderzoeksprojecten in de oncologie gericht op de ontwikkeling van small molecules, biologics, cel- en gentherapieën of therapeutische vaccins. Deze projecten maken gebruik van de unieke infrastructuur van Oncode Accelerator. Geneesmiddelontwikkelaars van over de hele wereld kunnen zich aanmelden voor een Demonstrator Project en krijgen daarmee toegang tot translationele expertise, geavanceerde faciliteiten en technologieën, tot €1,5 miljoen aan cofinanciering en praktische ondersteuning bij de projectcoördinatie.
Om de wetenschappelijke en maatschappelijke impact van deze investering zo groot mogelijk te maken, wordt de microscoop ook ingezet voor ander geneesmiddelenonderzoek. Zo werken onderzoekers er bijvoorbeeld aan remmers tegen de tuberculosebacterie.
Over de Glacios microscoop
Om biologische structuren zichtbaar te maken, worden monsters razendsnel ingevroren in vloeibare ethaan bij ongeveer -180 °C. Daardoor ontstaat geen ijskristalvorming, maar ‘vitreus’ ijs waarin moleculen als het ware stil blijven staan. De microscoop stuurt elektronen door het bevroren monster met snelheden tot ongeveer 70% van de lichtsnelheid. Dat maakt het mogelijk details te zien tot op ongeveer 2,2 Ångström (0,22 nanometer: een 1 miljard keer kleiner dan een meter).
Meer technische feitjes vind je op de website van NeCEN.