Pacman op microniveau

„Ik ben verbaasd over de snelheid waarmee bacteriën zich aanpassen aan een veranderend milieu. Voor twee chemische stoffen die ongeveer vijftig jaar geleden voor het eerst in de landbouw zijn toegepast, hebben we bacteriën ontdekt die ze afbreken en zelfs kunnen overleven als de gifstof de enige voedselbron is”, zegt dr. G. J. Poelarends. Afgelopen vrijdag promoveerde hij aan de Rijksuniversiteit Groningen.

De vergelijking met Pacman, het overbekende computerspelletje, dringt zich op. Net als het knalgele, ronde happertje eten bodembacteriën zich moeiteloos door een gigantische voedselberg.

Poelarends heeft zijn aandacht gericht op twee veelgebruikte bestrijdingsmiddelen. „Vanaf de jaren vijftig gebruikt de agrarische industrie op grote schaal 1,3-dichloorpropeen om landbouwgrond te ontsmetten, vrij te maken van aaltjes die aardappelmoeheid veroorzaken. Alleen al in Nederland gaan er jaarlijks miljoenen kilo's doorheen. We hebben monsters genomen in gebieden waar veel van het ontsmettingsmiddel gebruik is gemaakt en stuitten op een bodembacterie, Pseudomonas cichorii 170, die in staat is de gifstof onschadelijk te maken en als voedsel te gebruiken.”

Een insecticide dat al vijftig jaar wordt toegepast bij onder meer citrusbomen –1,2-dibroomethaan– is zijn andere bron van onderzoek. Poelarends isoleerde een Mycobacterium die zich voedt met het insecten dodende middel. Niet alleen bestrijdingsmiddelen veroorzaken bodemverontreiniging. Restafval van de chemische industrie dat op verkeerde plaatsen is beland, vormt een andere boosdoener.

Geld
Gif etende bacteriën kunnen veel voor het milieu betekenen. „In het Duitse Lübeck bevindt zich onder een woonwijk 1,2-dichloorethaan, daar achtergelaten door een chemisch bedrijf. In een soort wasmachine maken bacteriën het omhooggepompte grondwater vrij van het gif. De kennis is geleverd door de Rijksuniversiteit Groningen.”

In Nederland is volgens Poelarends nog niet zo'n installatie actief. „Bedrijven zien niets in deze manier van afval verwerken. Het kost nogal wat om een en ander te ontwikkelen. Toch denk ik dat de eerste zuiveringsinstallatie die gebruikmaakt van slimme bacteriën niet lang op zich laat wachten. Onder druk van de overheid, die bodemsanering hoog op de agenda heeft staan, zal de chemische industrie op den duur toch bezwijken.”

Vandaag de dag gebruiken bodemsaneerders ook bacteriën, maar de huidige technieken gaan vaak niet verder dan het inzetten van ter plaatse aanwezige micro-organismen, legt Poelarends uit. „Als we weten welke bacteriën een gifstof het beste afbreken, kunnen we die aan de vervuilde grond toevoegen. Dat is veel efficiënter.”

Kankerverwekkend
De promovendus richt zich in zijn onderzoek op een kleine groep industriële afvalstoffen, de gehalogeneerde koolwaterstoffen. Aan deze verbindingen, die voor het grootste deel bestaan uit koolstof en waterstof, zitten een of meer halogenen –zoals chloor en broom– gekoppeld. De slecht afbreekbare stoffen verontreinigen het drinkwater en zijn in de meeste gevallen kankerverwekkend. Als bacteriën er te veel van binnenkrijgen, gaan ze dood. Cfk (chloorfluorkoolwaterstof) is een berucht voorbeeld van een gehalogeneerde koolwaterstof. Het middel is in het verleden toegepast als drijfgas in spuitbussen en inmiddels verboden omdat het de ozonlaag aantast.

Industrieel geproduceerde gehalogeneerde koolwaterstoffen komen normaal gesproken niet in de natuur voor, bacteriën hebben geen mechanisme om ze af te breken. „Op zich kunnen ze wel stoffen afbreken die chloor bevatten”, legt Poelarends uit. „De enzymen die verantwoordelijk zijn voor de verwijdering van het chloor heten de halogenasen. Daarmee kunnen ze bijvoorbeeld chlooraromaten afbreken, die komen voor in rottende platen.”

De afbraak van een afvalstof is niet in één stap gereed. „Het is niet zo dat de klus is geklaard als het giftige halogeen is verwijderd. Het product dat ontstaat is vaak nog agressiever dan de oorspronkelijke verbinding. Bacteriën hebben een hele reeks enzymen klaarliggen die stap voor stap toewerken naar een veilig eindproduct, waar ze energie uit halen. Ze knippen stukken van het molecuul af en plakken er groepen aan. De informatie die nodig is voor de aanmaak van de enzymen ligt keurig in de juiste volgorde gerangschikt op het chromosoom.”

Manipulatie
Het genoom van zijn twee modelbacteriën heeft Poelarends uitgebreid bestudeerd. „Tot mijn verrassing ontdekte ik dat bacteriën een stof die nog maar pas in het milieu voorkomt binnen vijftig jaar, maar misschien veel sneller, af kunnen breken. Ze nemen vrij DNA, onder meer afkomstig van dode bacteriën, uit de omgeving op. Ook wisselen ze erfelijk materiaal uit met andere bacteriën, die bijvoorbeeld de eerdergenoemde chlooraromaten af kunnen breken. Een DNA-integratiesysteem pikt de bruikbare delen op en zet ze precies op de goede plaats in het genoom. Zo ontstaat een unieke reeks enzymen die de vreemde stof af kan breken.”

De natuur past zich snel aan een veranderd milieu aan en lijkt genetische manipulatie overbodig te maken. Toch ziet Poelarends ook daar toepassingen voor. „We vinden niet voor elke afvalstof een bijpassende bacterie. Hoe meer chloor- of broomatomen eraan zitten, des te moeilijker blijkt het te zijn om gif af te breken. Dat komt voor een deel doordat de gevormde tussenproducten nog schadelijker zijn dan de oorspronkelijke gifstof, waardoor de bacterie het loodje legt.

Een collega van mij tekent voor die moeilijk afbreekbare stoffen op papier reactieschema's, gebruikmakend van enzymen die de minst schadelijke tussenproducten maken. Vervolgens past hij bacteriën volgens schema genetisch aan, waardoor die de juiste enzymen produceren.”

Medicijnen
Behalve voor het zuiveren van vervuilde grond is de kennis die de Groningse promovendus heeft verworven ook te gebruiken bij de productie van medicijnen. „Veel stoffen waar geneesmiddelen van worden gemaakt, bevatten halogeengroepen”, zegt Poelarends. „Die moeten eraf. De halogenasen kunnen op commando een chloor- of broomgroep van de verbinding afsnoepen. We hebben de bacterie zelf niet eens nodig. Een reageerbuisje met een geschikt enzym is voldoende.”

Relevante websites:

Meer informatie over Deinococcus radioduran:

NASA-plannen met Deinococcus radiodurans