Mechanisms of Resistance against Hop Beta Acids in Listeria monocytogenes

Promovendus/a: Maarten Goedseels

Promotor(en): Prof. dr. ir. Christiaan Michiels

Heb je je ooit afgevraagd waarom zwangere vrouwen worden geadviseerd om bepaalde kazen, rauwe melk en sommige vlees- of visproducten niet te nuttigen? Dit komt omdat deze producten besmet kunnen zijn met de bacterie Listeria monocytogenes. Hoewel deze naam de meeste mensen niet bekend in de oren klinkt, zijn de gevolgen van de infectie die deze bacterie veroorzaakt, listeriose, berucht. Gelukkig komen infecties met Listeria niet vaak voor dankzij moderne conserveringstechnieken en strenge hygiënische maatregelen in de voedselindustrie. Omdat mensen tegenwoordig gezondere en natuurlijkere voeding willen, bij voorkeur zonder chemische conserveringsmiddelen, ontstaan er nieuwe uitdagingen bij het handhaven van de microbiologische veiligheid van deze producten. Dit heeft wetenschappers ertoe aangezet om in de natuur te zoeken naar stoffen met antimicrobiële eigenschappen om het gebruik van traditionele voedselconserveringsmiddelen te verminderen. Helaas moeten deze natuurlijke alternatieven vaak in grote hoeveelheden worden gebruikt om net zo effectief te zijn als conventionele conserveringsmiddelen. Daarom is het cruciaal om te begrijpen hoe deze natuurlijke stoffen werken, zodat ze effectief kunnen worden toegepast in nieuwe strategieën voor voedselconservering.

Een veelbelovende bron van natuurlijke antimicrobiële stoffen is de hopplant, wetenschappelijk bekend als Humulus lupulus. De vruchtkegels van de vrouwelijke plant worden al eeuwenlang gebruikt bij het brouwen van bier, niet alleen vanwege hun smaak, maar ook omdat ze voorkomen dat het bier bederft. Tegenwoordig weten we dat dit laatste effect kan worden toegeschreven aan bepaalde moleculen die bitterzuren worden genoemd. Sommige van deze bitterzuren, waaronder een groep moleculen die de bèta bitterzuren worden genoemd, hebben een uitzonderlijk sterke activiteit tegen bepaalde bacteriën, waaronder Listeria monocytogenes. In dit PhD-project onderzochten we waarom deze bitterzuren zo'n sterke antimicrobiële activiteit hebben tegen Listeria. Om deze vraag te beantwoorden, kozen we voor een strategie waarbij we eerst probeerden de bacteriën resistent te maken tegen de bèta bitterzuren om vervolgens de onderliggende resistentiemechanismen en (elementen van) het antimicrobiële werkingsmechanisme van de bèta bitterzuren af te leiden.

Door Listeria herhaaldelijk bloot te stellen aan lage hoeveelheden bèta bitterzuren, konden we drie mutanten isoleren die resistent werden tegen de moleculen. Twee van deze mutanten hadden defecten in een gen genaamd mprF. Normaal helpt dit gen bacteriën te beschermen tegen bepaalde antimicrobiële stoffen door positieve ladingen toe te voegen aan hun celoppervlak. We ontdekten echter dat voor bèta bitterzuren het tegenovergestelde waar is: minder positieve ladingen op het celoppervlak verhoogt de weerstand van de bacteriën tegen de verbindingen, maar maakt ze tegelijkertijd gevoeliger voor andere antimicrobiële stoffen. De derde mutant werd resistent tegen bèta bitterzuren door een ander mechanisme. Deze mutant had een mutatie in een gen genaamd rex, dat gewoonlijk andere genen reguleert die betrokken zijn bij het energiemetabolisme van de bacterie. De verhoogde resistentie van de derde mutant kan worden toegeschreven aan cytochroom bd, één van de complexen dat wordt gereguleerd door Rex en dat de bacteriën helpt bij de energieproductie en het omgaan met bepaalde stressfactoren.

Door wat we van deze mutanten leerden te combineren met het onderzoek van andere wetenschappers, stelden we voor dat bèta bitterzuren zo'n sterke antimicrobiële activiteit tegen Listeria hebben omdat ze zich op ten minste twee manieren op de cel richten. Ten eerste hebben ze een proton-ionofoor effect, wat betekent dat ze protonen in de bacteriële cellen kunnen brengen en binnenin loslaten. Dit zorgt voor verzuring in de cel en verstoort de energieproductie. Ten tweede kunnen bèta bitterzuren oxidatieve stress veroorzaken en essentiële ionen in de cel uitputten door complexen met deze ionen te vormen en schadelijke chemische reacties te vergemakkelijken.

Deze bevindingen benadrukken dat de sterke antimicrobiële activiteit van bèta bitterzuren wordt veroorzaakt door complexere mechanismen dan eerder werd gedacht. Dit onderzoek biedt nieuwe inzichten in hoe we bèta bitterzuren en soortgelijke verbindingen kunnen gebruiken als effectieve natuurlijke conserveringsmiddelen, waardoor mogelijk de voedselveiligheid wordt verbeterd en de houdbaarheid van producten wordt verlengd zonder gebruik te hoeven maken van synthetische chemicaliën.