Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen zijn erin geslaagd een lichtgestuurde schakelaar in te bouwen in een molecuul dat door bacteriën wordt gebruikt voor quorumsensing - een proces waarbij bacteriën communiceren en vervolgens cellulaire processen regelen. Met het beschreven molecuul, het is mogelijk om de communicatie te remmen of te stimuleren. Dit maakt het een zeer nuttig hulpmiddel voor verder onderzoek naar bacteriële communicatie en de invloed ervan op verschillende genetische routes. De resultaten zijn op 15 april gepubliceerd in het tijdschrift Chemo .

Om in te spelen op hun omgeving, bacteriën communiceren via een vorm van chemische signalering die quorum sensing wordt genoemd. De cellen scheiden een signaalmolecuul af en tegelijkertijd controleer de concentratie ervan. Naarmate meer cellen het signaalmolecuul afscheiden, het kan een drempelconcentratie overschrijden en bepaalde genetische routes activeren, bijvoorbeeld, om toxines te produceren of een beschermende biofilm te vormen.

Lichtgevoelige schakelaar

"Als we de quorumwaarneming zouden kunnen beïnvloeden, we kunnen het misschien gebruiken om ernstige infecties te behandelen, ", zegt RUG-organisch chemicus Mickel Hansen. "En het zou ook handig zijn om te onderzoeken hoe quorum sensing precies werkt." het zou handig zijn om een ​​modulator van quorum sensing te hebben die extern kan worden bestuurd. Daarom wilden Hansen en collega's van de groep synthetische organische chemie onder leiding van professor Ben Feringa een lichtgevoelige schakelaar inbouwen in een molecuul dat door bacteriën wordt gebruikt als signaal voor quorumdetectie.

Het molecuul bestaat uit een kop en een flexibele op koolstof gebaseerde staart die verbonden zijn via een β-keto-amide-linker. Het plan was om een ​​schakelaar in de staart op te nemen. "Dit betekende dat we de gemodificeerde staart met de kop moesten verbinden via een β-keto-amide-koppeling. het syntheseproces om deze koppeling te verkrijgen produceert een zeer onstabiel tussenproduct, waardoor het bijna onmogelijk was om het molecuul te synthetiseren."

Bibliotheek

Voortbouwend op de uitgebreide ervaring van de groep synthetische organische chemie van het Stratingh Institute of Chemistry van de Rijksuniversiteit Groningen, de onderzoekers bedachten een oplossing in de vorm van een nieuwe koppelingsreactie met een gestabiliseerd tussenproduct. Met behulp van dit tussenproduct, ze waren in staat om op een snelle en eenvoudige manier fotoschakelbare derivaten te synthetiseren.

Hans, samen met masterstudent Jacques Hille, produceerde een bibliotheek van 16 verbindingen die het potentieel hadden om te werken als agonisten of antagonisten van quorum sensing. Alle waren uitgerust met een lichtschakelaar. Alle verbindingen waren gebaseerd op een molecuul dat wordt gebruikt in een bepaald quorumdetectiesysteem in Pseudomonas aeruginosa, die ongeveer vijf van deze quorumdetectiesystemen heeft. In samenwerking met moleculair biologen van het lab van hoogleraar Moleculaire Microbiologie Arnold Driessen, ook aan de Rijksuniversiteit Groningen, de genen voor een van deze systemen werden overgebracht naar een E. coli-reporterstam, waardoor elk effect van de nieuw gesynthetiseerde verbindingen kan worden getest zonder de interferentie van andere quorumdetectiemechanismen.

toxine productie

Bioactiviteitstesten op de verkregen verbindingen toonden aan welke delen van het molecuul cruciaal waren voor het beheersen van quorumsensing. Het optimale aantal koolstofatomen waaruit de staart bestaat, bleek vier te zijn. Door de schakelaar met licht om te zetten, boog de staart. Opmerkelijk, de rechte staart had geen effect, terwijl de gebogen staart het quorumdetectiesignaal induceerde. Hansen:"Al met al, het blijkt dat kleine veranderingen in het molecuul een groot effect kunnen hebben op zijn activiteit, maar we weten nog niet precies waarom."

Ze vonden wel één verbinding die in staat was om het quorum-detectiesignaal sterk te remmen en - na bestraling met licht, wat leidt tot het buigen van de staart - om het ook sterk te stimuleren. Het verschil in activiteit was meer dan 700-voudig, wat enorm is. "Zo'n groot verschil heeft, voor zover we weten, nooit eerder aangetoond voor lichtgeschakelde bioactieve moleculen."

Dit specifieke molecuul zal een zeer nuttig hulpmiddel zijn om te onderzoeken hoe bacteriën communiceren. "In de studie, we toonden aan dat we de toxineproductie in een Pseudomonas-stam met licht konden regelen met onze schakelbare modulator. Dit zal een krachtig hulpmiddel zijn voor zowel klinisch als fundamenteel onderzoek naar het mechanisme van quorum sensing."