Bacteriële assemblagelijnen voor biologisch actieve ringstructuren waren begin jaren negentig nog een curieus hoekje van de wetenschap. Harvard-hoogleraar Christopher Walsh maakte er een serieuze tak van sport van. Het uiteindelijke doel: bacteriën nieuwe medicijnen laten produceren. En weg met al die platte moleculen.

“Collega-chemici zeiden dat ik een stomme fout maakte en dat de medici me nooit zouden accepteren. Maar als je de taal van de medische wetenschap echt wilt leren, moet je als chemicus een tijdje op een medische faculteit leven.” Daar was Harvard-hoogleraar Christopher Walsh twintig jaar geleden al van overtuigd, in de tijd dat zijn overstap van het chemiedepartement van MIT naar Harvard Medical School nog een grote schok teweegbracht. “Harvard gaf mij echter een prachtkans. Veel onderzoekers blijven altijd bezig met waar ze al mee bezig waren. Ik vind dat je als hoogleraar zowel de kans als de verplichting hebt om steeds nieuwe dingen te leren.”

Later bracht hij zijn ideeën nog sterker in de praktijk door als chemicus directeur te worden van een in kankeronderzoek gespecialiseerd ziekenhuis, het Dana-Farber Cancer Institute. “Ik ben graag anders dan anders en houd er niet van om alleen chemicus óf alleen bioloog genoemd te worden. Er zijn geen grenzen meer tussen de chemie en de biologie.”

Kankerpatiënten die genazen van kanker, maar toch stierven door een infectie van antibioticaresistente bacteriën. Dat vormde begin jaren negentig de start van zijn huidige onderzoekslijn. “Door mijn medische blik zag ik de urgentie van het probleem, door mijn achtergrond als chemicus kon ik er ook zelf aan werken”, licht Walsh toe. Hij koos voor een duik in de wereld van de peptides die bacteriën gebruiken om aan hun broodnodige ijzer te komen. Dat bleken peptides te zijn die buiten de ribosomen, de eiwitfabriekjes van de cel, worden gemaakt.

Die non-ribosomale peptides waren destijds een curiositeit; een geinig hoekje binnen de wetenschap. Wat bleek: de natuur kent haar eigen combinatoriële chemie. Met allerlei assemblagelijnen die bestaan uit een serie eiwitmodules kunnen bacteriën duizenden, misschien wel tienduizenden, kleine biologisch actieve moleculen produceren. Tijdens zijn lezing in Delft als spreker van het jaar van de Nederlandse Vereniging van Biochemie en Moleculaire Biologie (NVBMB) vliegen de meest complexe organische moleculen je dan ook om de oren. Op zijn powerpointsheets verschijnen grote, door bacteriën gemaakte complexe ringstructuren met hier en daar een aromatische groep eraan.

“Vanaf 1996 zijn we hard bezig geweest om uit te vinden via welke vaste regels de natuur deze peptides maakt, en we zijn gekomen van een geïsoleerd voorbeeld tot een blauwdruk”, stelt Walsh. “Het begon allemaal met een enkele promovendus die onverwacht zulke mooie en interessante resultaten behaalde dat aan het eind van haar promotieonderzoek zes mensen in mijn groep bezig waren met dingen die zij had gevonden.”

Wat vond je de meest verrassende ontdekking?

“In de bacteriële assemblagelijnen worden substraten via het uiteinde van een lange, flexibele arm overgebracht van het ene naar het andere katalytische domein in een hele serie eiwitmodules. Die serie modules is net een ketting met kralen. Je kunt overal een extra kraal toevoegen of weghalen. Dat vind ik het meest verrassende aan de bacteriële assemblagelijnen. Je hebt natuurlijk wel chemische restricties van welke groepen wel en niet aan elkaar te koppelen zijn, maar los daarvan heeft de natuur met deze assemblagelijnen een enorm palet aan mogelijkheden.

De assemblagelijnen bouwen eerst een molecuul stap voor stap lineair op. Bijzonder is dat ze aan het eind van de synthese tegelijkertijd het molecuul loslaten en de uiteinden aan elkaar knopen. Dat levert ringverbindingen op met een heel specifieke structuur. Door de uiteinden aan elkaar te knopen leg je namelijk de structuur van het molecuul vast.”

Hoe codeert de cel voor de non-ribosomale peptides zonder RNA te gebruiken?

“De code voor dit soort non-ribosomale peptides zit in de assemblagelijnen zelf. Op basis van hoe die lijn eruitziet, kun je voorspellen wat voor molecuulstructuur ermee te maken is. Voor elk nieuw molecuul dat een bacterie op deze manier wil maken, heeft zij dus een nieuwe mal nodig.

Voor grote, veelvoorkomende eiwitten in de cel is dit een veel te veel energieslurpende methode. Voor signaalmoleculen is het wel interessant. Mogelijk waren dit soort moleculen eerst signaalstoffen om met elkaar te praten en werden het later ook antibiotica om oorlog mee te voeren tegen andere bacteriën.

Zulke signaalstoffen hebben mensen niet nodig. Interne communicatie doen wij met hormonen. Opvallend is dat zoogdieren de vetzuurassemblagelijnen, waarmee we hormonen maken, wel behouden hebben. De andere kunstjes die bacteriën met assemblagelijnen kunnen, kan de mens niet meer.”

Waren de assemblagelijnen er misschien al voordat RNA in de evolutie ontstond?

“Ik denk het niet. De assemblagelijnen gebruiken ATP en co-enzym A, die van RNA-origine zijn. Bacteriën hebben deze chemie mogelijk wel al snel na het ontstaan van RNA uitgevonden diep in de sulfaatrijke oceanen, want de assemblagelijnen zijn sulfaatbevattende eiwitmachines.”

Was het moeilijk om andere onderzoekers voor dit onderwerp te interesseren?

“We hebben veel aandacht gekregen via een aantal reviews van onze hand in Nature en Science. Chemici zijn geïnteresseerd in het feit dat bacteriën via de assemblagelijnen kleine en toch gecompliceerde, sterk gefunctionaliseerde moleculen maken. Via een lange evolutie heeft de natuur zo veel complexe, voor chemici interessante moleculen ontwikkeld.

Voor de microbiologen is het minstens zo interessant, omdat de genclusters van de assemblagelijnen vaak een flink onderdeel van het genoom vormen. Ook al weten we nog niet van elke assemblagelijn wat zijn functie is, we weten wel dat het een grote investering is voor de bacterie om er een of meer in haar genoom op te nemen. Een gencluster voor één assemblagelijn kan al gauw 5 procent van het genoom beslaan. Dat doet vermoeden dat de assemblagelijnen voor bacteriën erg belangrijke moleculen maken.”

Zijn bacteriën slimmer dan chemici?

“Bacteriën hebben veel effectievere methodes om relatief grote ringstructuren te maken dan chemici. In het lab is het lastig de reactieve groepen midden in de keten niet met elkaar te laten reageren, maar alleen de groepen aan het uiteinde van de keten. Een bacterie kan de keten zo positioneren dat zij wel ‘makkelijk’ een ring van veertien atomen kan maken, zonder last te hebben van de ‘verkeerde’ reactieve groepen en dus zonder ongewenste bijproducten. In het lab krijg je vaak juist vooral een ring van zes atomen en niet of nauwelijks die ring van veertien atomen.”

Waarom maken bacteriën niet alleen antibiotica, maar mogelijk ook interessante antikankermedicijnen?

“Filosofisch is er geen goede reden om nieuwe medicijnen daar te zoeken, want een bacterie heeft geen voordeel bij het doden van een tumor. Toch lijken er interessante stoffen bij te zitten. Het zijn kleine moleculen met veel functionele groepen, een specifieke structuur en een hoge affiniteit voor zoogdiereiwitten. Dat maakt ze een goed uitgangspunt voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.

De eerste stoffenbibliotheken die in het lab gemaakt werden met combinatoriële chemie bevatten te platte moleculen met te weinig functionele groepen en niet genoeg vormverschillen. Die eerste generatie combinatoriële chemie is wat mij betreft mislukt. Ik denk dat we voor het kankeronderzoek meer hebben aan moleculen die op moleculen uit de natuur lijken.”

Zijn bacteriën ook nog een goede bron voor nieuwe antibiotica?

“Ja, want er zijn nog honderden antibioticaproducerende bacteriën te sequencen. Doe dat en we vinden misschien wel honderd nieuwe genclusters voor nieuwe antibiotica. Wat als 10 procent daarvan interessant is als medicijn voor de mens? Dat zou heel mooi zijn.

Tot nu toe zijn er vooral ziekteverwekkende en industrieel interessante bacteriën gesequencet en pas twee antibioticaproducerende bacteriën. Een daarvan is de bacterie Actinomycetes streptomyces, waarin de helft van de in de natuur voorkomende antibiotica is gevonden. Die bacterie bleek na sequencing twintig assemblagelijnen te hebben. In het lab komen er daar maar drie van tot expressie. Die andere zeventien zijn onbekend en het is lastig om ze aan de praat te krijgen. Het positieve is echter dat zeventien van de twintig antibiotica die A. streptomyces produceert nog te vinden moeten zijn.”

Waarom investeren bedrijven eigenlijk zo weinig in deze geneesmiddelen?

“Een medicijn tegen diabetes is veel interessanter. Zo’n medicijn heb je het hele jaar nodig, terwijl een Amerikaan gemiddeld maar veertien dagen antibiotica gebruikt. Daarom zijn alle grote farmaceutische bedrijven overgestapt op het ontwikkelen van een soort lifestyle drugs.

Bovendien lijkt de totale markt voor antibiotica misschien wel groot met 25 miljard, maar is die erg gefragmenteerd. Per product verdient niemand meer dan 1,5 miljard.”

Zou het helpen als de overheid bijdraagt aan deze medicijn­ontwikkeling?

“Nee, dat werkt niet. Je hebt toch de dynamiek van een bedrijf nodig. Maar de overheid kan wel belastingvoordeel geven, door de eerste 15 miljoen die een bedrijf aan antibioticaonderzoek besteedt belastingvrij te maken. Dat advies heb ik de overheid ook gegeven, maar daar wordt niet naar geluisterd.”

Zijn de bacteriële assemblagelijnen in het lab al naar believen te manipuleren?

“Via genetische modificatie eiwitmodules uit de lijn verplaatsen, lukt nog niet zo best. We kennen de regels nog niet zo goed en weten niet waarom de efficiëntie omlaag gaat als we kralen verplaatsen. Dat willen we beter begrijpen. Dat is een trage aanpak, maar aan het eind wel de meest succesvolle. Immers, als je weet hoe je één auto kunt maken, kun je er ook meer maken.”

Kun je een gencluster voor een bacteriële assemblagelijn al kloneren?

“Daar bestaan nog geen perfecte technieken voor, maar we hebben er wel net een truc voor bedacht. De assemblagelijnen in de cel zijn de enige eiwitten met een fosfopante­theïne-arm met aan het eind een SH-groep waaraan het substraat kan binden en mee naar de goede plek gebracht kan worden. Bovendien zitten er veel van die armen in een assemblagelijn.

We hebben nu PCR-primers gemaakt waarmee je genen kunt kopiëren vanaf het stukje DNA dat codeert voor die arm. Op die manier kunnen we de hele clusters voor de eiwitmodules beter vinden.”

Wat is de lol van je consultancywerk, dat je van Harvard maximaal een dag per week mag doen?

“Veel van wat ik in de loop der jaren heb geleerd, komt van bedrijven. Die leggen mij interessante problemen uit de praktijk voor en dat heeft absoluut invloed gehad op de onderwerpskeuze van mijn onderzoeksgroep. Als consultant stel ik vooral vragen. Ik zeg vaak: de antwoorden heb ik niet, maar hier heb ik wel een vraag.

Ik adviseer grote bedrijven en heb zo’n vijf kleine bedrijven helpen opstarten. Die hebben vaak heel hard een goede generalist als ik nodig, die hun kan vertellen bij wie ze voor welke expertise terechtkunnen. Ik ben zelf eigenlijk nergens expert in. Als iemand die zelf een ziekenhuis heeft gerund, kan ik in de board of directors ook meedenken over het runnen van het bedrijf. En ik leer er iedere keer ook weer van.

Ook als adviseur van een risicokapitaalverstrekker zie ik veel langskomen. Dat levert me een brede educatie op van slaapziektes tot diabetes tot schizofrenie. Actief scouten hoef ik niet te doen. Mensen komen zelf wel naar mij toe. In de duizenden voorstellen die ik zie langskomen, zitten er altijd wel een paar die het veld kunnen veranderen. En ik vind het mooi om mensen met die ideeën te helpen om hun dromen te realiseren.”|

FEITELIJK

Christopher Walsh

1982 – 1987

Voorzitter Departement of Chemistry van MIT (VS)

1987 – 1995

Voorzitter Department of Biological Chemistry and Molecular Pharmacology, Harvard Medical School

1992 – 1995

Directeur Dana-Farber Cancer Institute, een ziekenhuis met tweeduizend

werknemers

1991 – heden

Hoogleraar Harvard Medical School

Bron: C2W life sciences 12