Potential of Endophytic Fungi from Orobanche spp. as Novel Sources of L-Asparaginase, an Enzyme with Anticancer Applications

In de verborgen wereld binnen gezonde planten leven minuscule schimmels als stille buren, die de ruimte delen met hun gastheren zonder schade aan te richten. Dit zijn endofyten, een diverse gemeenschap van micro-organismen die geëvolueerd hebben om een breed scala aan chemische instrumenten te produceren om te overleven en te gedijen. Onder de vele stoffen die deze schimmels creëren vallen enzymen, die biologische machines zijn die specifieke chemische reacties versnellen. Eén dergelijke enzym, bekend als L-asparaginase, is een cruciaal hulpmiddel geworden in de moderne geneeskunde. Het werkt door een specifieke bouwsteen van eiwitten, genaamd L-asparagine, af te breken. Terwijl de meeste cellen in het menselijk lichaam hun eigen voorraad van deze bouwsteen kunnen maken, kunnen bepaalde kankercellen, met name die betrokken bij een type bloedkanker genaamd acute lymfoblastaire leukemie, dat niet. Zij zijn volledig afhankelijk van het stelen ervan uit het bloed. Door het enzym in het systeem van een patiënt in te brengen, kunnen artsen deze essentiële voedingsstof wegnemen, waardoor de kankercellen verhongeren en sterven terwijl de gezonde cellen grotendeels ongedeerd blijven. Momenteel produceert de medische industrie dit levensreddende enzym voornamelijk uit bacteriën, maar deze bacteriële versies kunnen soms ernstige allergische reacties of andere bijwerkingen bij patiënten veroorzaken, wat wetenschappers aanzet tot het zoeken naar zachtere, meer compatibele bronnen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Zanjan in Iran richtte hun aandacht op een ongewone en vaak over het hoofd geziene gastheer voor deze microscopische buren: de kliviaanplant (broomrape). In tegen tegenstelling tot de meeste planten die uit de bodem groeien, is de kliviaan een holoparasiet, wat betekent dat hij geen eigen bladeren of wortels heeft en volledig overleeft door zich aan de wortels van andere gewassen te hechten en hun voedingsstoffen te stelen. Vanwege deze unieke en stressvolle levensstijl zouden de schimmels die in de kliviaan leven, speciale vermogens kunnen hebben ontwikkeld om met hun omgeving om te gaan. De onderzoekers verzamelden monsters van gezonde kliviaanplant uit landbouwvelden in noordwest-Iran en reinigden deze zorgvuldig om oppervlakkig vuil of bacteriën te verwijderen. Vervolgens sneden ze de plantstengels in kleine stukjes en plaatsten ze op een voedselrijke gel om te zien of er schimmels uit de binnenkant naar buiten zouden groeien. Van 300 plantmonsters isoleerden ze succesvol tientallen verschillende schimmelstammen, die ze uiteindelijk in 34 verschillende typen groepeerden op basis van hoe ze er onder een microscoop uitzagen.

Om te ontdekken welke van deze schimmels het kankerbestrijdende enzym konden produceren, gebruikten de wetenschappers eerst een eenvoudige visuele test. Ze kweekten de schimmels op een speciale plaat die L-asparagine en een pH-indicatorkleurstof bevatte. Als een schimmel het enzym produceert, breekt het de asparagine af en komt er ammoniak vrij, wat de omgeving van geel naar roze verandert. Ongeveer 20 van de 34 schimmeltypen creëerden deze roze halo's, wat suggereerde dat ze in staat waren om het enzym te maken. De onderzoekers wisten echter dat een grote roze cirkel op een plaat niet altijd betekent dat er een grote hoeveelheid enzym wordt geproduceerd. Om de werkelijke maatstaf te krijgen, verplaatsten ze de meest veelbelovende kandidaten naar vloeibare culturen en gebruikten ze een chemische methode om precies te tellen hoeveel ammoniak er werd vrijgekomen. De resultaten toonden een breed scala aan activiteit. Terwijl sommige schimmels zeer weinig produceerden, onderscheidden vier specifieke stammen zich als de meest productieve. Onder hen produceerde een schimmel geïdentificeerd als Alternaria longipes, specifiek een stam aangeduid als SH25, de hoogste hoeveelheid enzym, bereikend tot 5,79 eenheden per milliliter. Dit was aanzienlijk meer dan de andere toppresteerders, die soorten zoals Macrophomina phaseolina en Aspergillus flavus omvatten.

Het team richtte zich vervolgens op de ster van de show, de Alternaria longipes SH25, om te zien of ze deze nog meer enzym konden laten produceren door de omgeving te veranderen. Ze testten hoe de beschikbaarheid van voedsel en de zuurgraad van de vloeistof de productie beïnvloedden. Ze ontdekten dat de schimmel het meeste enzym produceerde wanneer de vloeistof licht zuur was en een specifieke concentratie L-asparagine bevatte. Onder deze geoptimaliseerde omstandigheden steeg de enzymoutput naar 5,95 eenheden per milliliter. De onderzoekers controleerden ook hoe goed het enzym standhield bij blootstelling aan hitte, een cruciale factor voor industrieel gebruik. Ze vonden dat het enzym zeer stabiel bleef bij gematigde temperaturen; het behield bijna al zijn activiteit nadat het een half uur op 35 graden Celsius was gehouden, en behield nog steeds ongeveer twee derde van zijn kracht na twee uur. Dit suggereert dat het enzym robuust genoeg is om in een productieomgeving te worden gehanteerd zonder onmiddellijk af te breken.

De studie concludeert dat de parasitaire kliviaan een rijke, maar voorheen onverkende bron is van schimmels die in staat zijn dit vitale enzym te produceren. De ontdekking van de hoogpresterende Alternaria longipes-stam biedt een potentieel nieuw alternatief voor de bacteriële bronnen die momenteel in de geneeskunde worden gebruikt. Terwijl de bacteriële versies bij sommige patiënten immuunreacties kunnen veroorzaken, worden enzymen van schimmels vaak als compatibeler met het menselijk lichaam beschouwd, hoewel verdere tests nodig zijn om dit voordeel te bevestigen. De onderzoekers merkten op dat de grootte van de roze halo op de initiële testplaten geen betrouwbare voorspeller was voor hoeveel enzym de schimmel daadwerkelijk zou produceren in een vloeibare cultuur, wat het belang van nauwkeurige chemische metingen boven visuele schattingen benadrukt. Door deze schimmels te isoleren en te identificeren met behulp van genetische sequencing, bevestigde het team hun identiteiten en legden zij een duidelijk verband tussen deze specifieke schimmelsoort en haar vermogen om het enzym te produceren. Dit werk opent een nieuwe deur voor de biotechnologie, en suggereert dat zelfs de meest ongewone planten in onze velden microscopische bondgenoten kunnen herbergen die kunnen helpen bij het bestrijden van ziekten.