A genome-wide genetic interaction platform for MRSA reveals connections between cell division and the cell envelope

Bacteriën zijn niet louter eencellige organismen die door hun omgeving drijven; het zijn complexe machines die moeten groeien, hun genetische instructies moeten kopiëren en zich in perfect getimed ritme in twee nieuwe cellen moeten splitsen. Dit proces, bekend als de celcyclus, rust op een nauw afgestemd netwerk van paden. Als de machinerie voor het bouwen van de celwand faalt, kan de cel niet delen. Als het systeem voor het kopiëren van het DNA struikelt, kan de cel niet overleven. Decennialang wisten wetenschappers al dat deze paden met elkaar verbonden zijn, maar de volledige kaart van hoe ze met elkaar communiceren, blijft grotendeels incompleet. Dit geldt met name voor gevaarlijke, medicijnresistente bacteriën zoals methicilline-resistente Staphylococcus aureus, of MRSA, die wereldwijd ernstige infecties veroorzaakt. Omdat deze bacteriën zo goed zijn in het weerstaan van antibiotica, vereist het vinden van nieuwe manieren om hen te stoppen een begrip van de verborgen verbindingen tussen hun interne systemen. Als onderzoekers een paar systemen kunnen vinden die, wanneer beide worden verzwakt, ervoor zorgen dat de bacteriën sterven, hebben zij wellicht een nieuwe manier ontdekt om het pathogeen te doden.

Om deze verborgen links te ontdekken, ontwikkelde een team van onderzoekers een krachtig nieuw hulpmiddel om te testen hoe genen binnen MRSA met elkaar interageren. Ze creëerden een systeem dat in staat is om twee verschillende genen tegelijkertijd in een enkele bacterie te stilleggen, en observeerden vervolgens wat er met de gezondheid van de cel gebeurde. Door deze test uit te voeren over duizenden genparen, brachten ze een uitgestrekt netwerk van relaties in kaart. Hun werk onthulde dat het vermogen van de bacteriën om te delen diep verbonden is met hoe ze hun buitenste schil bouwen en hun interne vetten beheren. De studie vond niet alleen willekeurige foutjes; het identificeerde twee specifieke, belangrijke verbindingen die verklaren waarom het verstoren van de celdeling vaak leidt tot celsterfte, en hoe de bacteriën in de val gelokt kunnen worden om zichzelf te doden.

De onderzoekers begonnen met het modificeren van een stam MRSA die gemakkelijk gecontroleerd kon worden. Ze voegden een genetische schakelaar toe waarmee ze specifie een genen konden uitschakelen met behulp van een moleculair instrument genaamd CRISPR-interferentie. Dit instrument werkt als een dimschakelaar, waarbij de hoeveelheid van een specifiek eiwit waar de cel het van maakt wordt verminderd zonder het gen volledig te verwijderen. Om interacties te testen, bouwden ze een aflevervoertuig dat twee verschillende dimschakelaars tegelijkertijd kon dragen, waardoor ze elk twee gekozen genen konden stilleggen. Ze valideerden dit systeem door het te testen op bekende relaties, waarbij ze bevestigden dat het nauwkeurig kon detecteren wanneer twee genen samenwerkten om de cel in leven te houden of wanneer het stoppen van beide de cel deed bezwijken. Zodra het hulpmiddel betrouwbaar was bewezen, gebruikten ze het om de celcyclus van de bacteriën te onderzoeken, waarbij ze zich concentreerden op 51 genen die bekend staan om hun betrokkenheid bij groei en deling. Ze koppelden deze aan een enorme bibliotheek van meer dan 5.000 andere genen, wat bijna 115.000 unieke combinaties opleverde om te testen.

De resultaten van deze enorme survey onthulden honderden interacties, maar twee patronen vielen bijzonder op. Het eerste patroon betrof een groep genen die verantwoordelijk zijn voor het bouwen van de delingsmachinerie van de cel en een aparte groep die verantwoordelijk is voor het maken van vetten en oliën die het celmembraan vormen. Wanneer de onderzoekers de genen die de delingsmachinerie bouwen verzwakten, werden de bacteriën abnormaal groot en hadden ze moeite om te overleven. Echter, wanneer ze tegelijkertijd de genen die vetten maken verzwakten, herstelden de bacteriën. De grote, zieke cellen keerden terug naar een normale grootte en begonnen weer gezond te groeien. Dit suggereert dat wanneer de bacteriën niet goed kunnen delen, ze onnodig doorgaan met het pompen van membraanmateriaal, wat een toxische ophoping van vetten creëert die de cel schaadt. Door de vetproductie tegelijkertijd te vertragen, verwijderden de onderzoekers deze toxische druk, waardoor de cel kon overleven ondanks haar delingsproblemen. Het is alsof de cel probeerde een emmer te vullen die een gat in de bodem had; wanneer het gat groter werd gemaakt, steeg het waterniveau gevaarlijk hoog, maar door de kraan dicht te draaien, keerde het niveau terug naar normaal.

De tweede grote ontdekking betrof een andere set delingsgenen en een systeem dat de chemische lading op het oppervlak van de bacterie wijzigt. De onderzoekers ontdekten dat wanneer zij specifieke delingsgenen verzwakten, de bacteriën niet langer konden overleven als ze ook het vermogen verloren om hun oppervlak te modificeren met een specifieke chemische tag. Deze tag, gemaakt van een molecuul genaamd D-alanine, helpt de bacteriën normaal gesproken om bepaalde soorten antibiotica te weerstaan en de balans te bewaren met metaalionen in hun omgeving. De studie toonde aan dat de delingsmachinerie en dit systeem voor oppervlakmodificatie zo nauw met elkaar verbonden zijn dat het uitschakelen van beiden fataal is, ook al is het uitschakelen van één van beide alleen niet fataal. Deze verbinding was voorheen nooit duidelijk geïdentificeerd. De onderzoekers bevestigden dit door de bacteriën in het laboratorium te testen, waarbij ze lieten zien dat wanneer beide systemen werden aangetast, de bacteriën snel stierven.

Deze bevindingen bieden een duidelijker beeld van hoe MRSA functioneert en waar haar zwakheden liggen. De studie vestigt vast dat het vermogen van de bacterie om te delen geen geïsoleerde gebeurtenis is, maar onlosmakelijk verbonden is met hoe zij haar membraanvetten en haar oppervlakschemie beheert. Door aan te tonen dat de celcyclus rust op deze specifieke verbindingen, biedt het onderzoek een nieuwe manier om over het aanvallen van deze pathogenen na te denken. Het werk biedt niet onmiddellijk een nieuw medicijn, maar levert een gedetailleerde kaart van de interne logica van de bacteriële cel. Het laat zien dat als wetenschappers zowel de delingsmachinerie als het vetmakende systeem kunnen targeten, of de delingsmachinerie en het systeem voor oppervlakmodificatie, zij de bacteriën effectiever kunnen doden dan door slechts één van beide systemen aan te vallen. Deze aanpak zou cruciaal kunnen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe behandelingen tegen medicijnresistente infecties, door de complexe interne afhankelijkheden van de bacterie tegen haarzelf te keren.