PhD defenses in the lab

Onderzoeksdomeinen

Eiwit-eiwit interactieanalyse tussen bacteriofagen en hun gastheer

De co-evolutionaire strijd tussen bacterien en fagen heeft geleid tot een intieme relatie die tegelijk als antagonistisch (lytische replicatiecyclus) als symbiotisch (lysogene replicatie) kan omschreven worden. Deze relaties worden weerspiegeld op moleculair niveau, waarbij er in zowel bacterien als fagen specifieke mechanismen ontwikkeld zijn om elkaars metabolisme te beinvloeden. Dit interactoom wordt in ons onderzoek gedefinieerd als het netwerk van eiwit-eiwit interacties tussen een bacterieel virus en zijn gastheer op systeembiologisch niveau. Door onze moleculair-microbiologische en gentechnologische expertise de bundelen met de beschikbare structurele en eiwitmodelleringskennis binnen de K.U.Leuven (BIOMACS samenwerking met Professoren Van Meervelt & De Maeyer), beoogt dit onderzoek een beter fundamenteel biologisch begrip dat kan leiden tot tal van medische toepassingen (identificatie van nieuwe antibacteriele doelwitten).

Mining van bacteriofaagenzymes met biotechnologische en antibacteriele toepassingen

Vanuit dit moleculair oogpunt, beschikken bacteriele virussen nog over een arsenaal van enzymen met een biotechnologisch potentieel. We mogen immers niet vergeten dat bacteriofaagafgeleide producten aan de basis lag voor de moderne biotechnologie zoals we die nu kennen: technieken bij DNA klonering (GateWay systeem), recombinante eiwitexpressie (Bv. PET-vectoren), protein-interactie analyse (faagdisplay) en talloze typische laboratoriumenzymen (polymerasen, ligasen) zijn van bacteriofaagoorsprong. Toch is hun rol hierin nog niet uitgespeeld bieden er zich ongetwijfeld nog mogelijkheden in onderzoeksdomeinen zoals de synthetische biologie. Ook beschikken bacteriofagen over celwanddegraderende eiwitten die een rol spelen tijdens de infectie en op het einde van de vermenigvuldigingscyclus om de bacteriecel te lyseren en nieuwgevormde faagpartikels vrij te stellen. Deze eiwitten, die recombinant kunnen aangemaakt worden, vinden hun toepassing als enzybiotica. Deze enzym-gebaseerde antibiotica kunnen immers bacterien afdoden wanneer ze toegediend worden aan vrijlevende bacterien.

Bacteriofaagtherapie voor medische en landbouwkundige toepassingen

Uiteraard wordt ook de exploitatie van bacteriofagen vooropgesteld als een mogelijk alternatief/complement voor de klassieke antibiotica. Antibiotica blijven hun nut bewijzen bij het grootste deel van de acute infecties, maar er zijn steeds meer chronische infecties waarbij antibiotica geen enkel effect meer ressorteren. Fagen, al of niet in combinatie met antibiotica, zouden voor veel patienten kritisch problematische gevallen - een oplossing kunnen bieden. Momenteel draagt ons onderzoek bij tot de evaluatie van 'faagtherapie' bij brandwondeninfecties, samen met het Militair Hospitaal Koningin Astrid te Neder-Over-Heembeek en laboratoria van de Ugent en V.U.B. Klinische experimentatie hieromtrent is echter nog sterk beperkt door de juridische lacune omtrent het gebruiksvoorwaarden van fagen in therapeutische setting. De (mede) door ons opgerichte internationale vzw P.H.A.G.E zich op regulatorische aspecten in dit domein, waarbij uiteraard de microbiologische veiligheid een cruciale rol speelt. Door dit gebrek aan wetgeving en regels voor formulatie en bereiding van de faagcocktails, is het klinisch gebruik in fase twee klinische trials beperkt tot compassionate use onder strikte begeleiding van lokale ethische commissies die onze eigen criteria voor veiligheid en formulatievereisten evalueren. Vanuit een voedingsperspectief stellen deze juridische problemen zich niet. Er bestaan reeds voorbeelden van industriele toepassingen, goedgekeurd door FDA en in Europa, voor de behandeling van vleeskarkassen en de decontaminatie van kaas. Momenteel concentreren onze onderzoekslijnen hieromtrent zich eerder op landbouwkundig vlak. Enerzijds bestuderen we faagtherapie voor de behandeling van dierenziekten zoals topicale infecties door Staphylococcus aureus bij konijnen (ism met Ugent, prof. K. Hermans) en aviair pathogene E. coli (APEC) infecties bij kippen (ism Prof. B. Goddeeris, en Profs. De Greve, Hernalsteens & Butaye, V.U.B./CODA). Anderzijds richten we ons ook op de groententeelt, waarbij bacteriofagen hopelijk aardappelen zullen beschermen tegen de verspreiding van bacteriele infecties tijdens bewaring (ism Prof. De Proft, en Dr. Martine Maes van het ILVO).


Ontrafeling van de biosynthese van secundaire metabolieten

Ons onderzoek bij bacteriofagen toont aan dat de natuur een belangrijke bron van diverse antimicrobiele agentia met nieuwe werkingsmechanismen. Een andere, meer recente onderzoekpijler binnen het lab focust zich echter op de traditionele antibiotica zoals iedereen ze kent. Deze natuurlijke moleculen (secundaire metabolieten) worden gevormd tijdens een complex biosyntheseproces in organismen zoals bacterien, fungi, insecten en planten. De genen die betrokken zijn bij deze biosynthese liggen vaak als genclusters gecodeerd in het genoom van het producerende organisme. Recent implementeerden we biotechnologische en bio-informatische methodes voor de ontrafeling, karakterisering en modificatie van een aantal bacteriele antibioticumsynthese-coderende genclusters en kregen we ervaring met de chemische analysetechnieken voor de opzuivering van deze moleculen.

Comparatieve genoomanalyse en evolutie van bacteriofagen

Bacterie-infecterende virussen (bacteriofagen of fagen) zijn eenvoudige, diverse organismen en zijn de meest voorkomende organismen in de biosfeer, die tijdens door hun parasitaire replicatiecyclus (Zie Figuur 1) en intense interactie (en co-evolutie) hebben met hun gastheer. In het laatste decennium is er een brede wetenschappelijke consensus ontstaan over de enorme invloed die bacteriele virussen of bacteriofagen uitoefenen op de biosfeer. Bacteriofagen doden 4 tot 50% van de dagelijks geproduceerde bacterien, dragen in belangrijke mate bij tot globale geochemische cycli en vormen het reservoir van de grootste genetische diversiteit op aarde. Ons genoom- en proteoomonderzoek op bacteriofagen richt zich op fundamentele vraagstukken zoals evolutie en genetische flux in de gehele bacteriofaagpopulatie, maar evenzeer toegepast onderzoek om bacteriele infecties te bestrijden met faag-geinspireerde strategieen.


Dit moleculair onderzoek op een collectie van geisoleerde bacteriofagen uit alle hoeken van de wereld, liet ons toe een beeld te vormen omtrent de variatie en het voorkomen van cultiveerbare bacteriofagen die de bacteriespecies Pseudomonas aeruginosa infecteren. Het in kaart brengen van het genoom van deze virussen, liet ook hun onderlinge vergelijking toe en geeft inzicht in hun evolutionaire patronen. Deze genoomgebaseerde bacteriofaagclassificatiemethode streeft ernaar (traditioneel) morfologische en moleculair-gebaseerde taxonomie met elkaar te verzoenen. De eerste implementaties hiervan recent geratificeerd en worden gepubliceerd in het IXth ICTV Report, de officiele ICTV referentie voor virusclassificatie.