Onderzoek

Het leven op aarde zou niet mogelijk zijn zonder bacteriën: we hebben bacteriën nodig voor onze gezondheid, ons voedsel en onze omgeving. Toch weten we verrassend weinig over de moleculaire voordelen van bacteriën: hoe kunnen bacteriën heilzaam zijn? Hoe verschillen nuttige bacteriën van ziekteverwekkers? Hoe kunnen we nuttige bacteriën gebruiken om onze gezondheid te verbeteren? 

Met haar team probeert Prof. Lebeer deze belangrijke biologische vragen te beantwoorden. De primaire onderzoeksinteresses liggen op het snijvlak van nuttige bacteriën en microbioomstudies, met een sterke focus op het verkennen en benutten van de positieve effecten van deze micro-organismen in verschillende ecosystemen. Een centraal thema in het onderzoek van Prof. Sarah Lebeer is de rol van een bepaalde groep nuttige bacteriën die bekend staan als lactobacillen. Het zijn bekende probiotische bacteriën, starterculturen voor gefermenteerd voedsel en leden van het menselijk (vagina, darmen, huid, neus), planten- en insectenmicrobioom. Lactobacillen gedijen niet alleen goed en domineren zelfs in verschillende omgevingen, maar dragen ook aanzienlijk bij aan het welzijn van deze ecosystemen. Door vergelijkbare methodologieën te gebruiken om hun functies in verschillende ecosystemen te onderzoeken, wil het team zinvolle parallellen trekken en unieke verschillen tussen verschillende omgevingen identificeren. Voor deze geïntegreerde aanpak ontving Sarah Lebeer een prestigieuze ERC Starting Grant, Lacto-Be.  

Om nuttige bacteriën en hun werkingsmechanismen te identificeren, hanteert het team een multidisciplinaire aanpak. Dit omvat de integratie van microbioomsequencing en vergelijkende bacteriële genomics met geavanceerde technieken zoals innovatieve culturomics, functionele, modellering, immunologische en metabolomische benaderingen, evenals citizen science-benaderingen om interacties met leken te bevorderen en de toepassing van onderzoek en bemonstering in het wild aan te moedigen. Het team is met name geïnteresseerd in het verbeteren van de gezondheid van vrouwen en kinderen door middel van microbioom- en probiotica-onderzoek, zoals met het Isala citizen science-project, gezien het feit dat de menselijke vagina een belangrijke habitat is voor de heilzame functies van lactobacillen. Het Isala-project heeft veel inclusieve zusterprojecten over de hele wereld.  

Samenvattend is de gezamenlijke onderzoeksmissie en ambitie van het team om fundamenteel en toegepast onderzoek te doen naar lactobacillen en verwante bacteriën, om de grenzen van begrip en toepassing van nuttige bacteriën te verleggen en uiteindelijk bij te dragen aan de ontwikkeling van duurzame oplossingen in gezondheid, landbouw en milieubeheer. 

Microben zijn in en overal om ons heen aanwezig en bepalen ons milieu en onze gezondheid. De biodiversiteitshypothese suggereert dat contact met micro-organismen uit natuurlijke omgevingen cruciaal is voor het immuunevenwicht en de bescherming tegen ontstekingsziekten. Dit is vooral belangrijk in stedelijke omgevingen, waar het contact met natuurlijke microbiële gemeenschappen wordt verminderd, terwijl fysieke en mentale aandoeningen toenemen. 

Het team van prof. Irina Spacova onderzoekt hoe bacteriën die zich op de grens tussen het menselijk lichaam en het milieu bevinden, de menselijke gezondheid in stedelijke omgevingen kunnen beïnvloeden. Dit omvat bacteriën in de luchtwegen en op de huid, maar ook in de lucht, de bodem en op planten. De eerste onderzoekslijn is gefocust op hoe contact met de natuur onze microbiële gemeenschappen kan verrijken en de immuungezondheid kan verbeteren, bijvoorbeeld op schoolpleinen en in gezondheidszorgomgevingen. De overdracht van bacteriën uit de omgeving naar de menselijke luchtwegen en huid wordt onderzocht, en er wordt niet-invasieve analyse van immuunbiomarkers uitgevoerd. Een citizen science aanpak wordt vaak gebruikt voor het verzamelen van stalen en betrokkenheid van de gemeenschap. 

De tweede onderzoekslijn onderzoekt hoe microbiële gemeenschappen in de luchtwegen virale infecties en ontsteking beïnvloeden. Voorbeelden van bestudeerde ziekten zijn respiratoire syncytiele virusinfecties en mucoviscidose. Klinische onderzoeken in samenwerking met deskundige artsen worden gecombineerd met laboratoriumtests om de immunologische en (anti)pathogene interacties van verschillende bacteriën te begrijpen. Naast de analyse van immuunbiomarkers worden menselijke reportercellijnen gebruikt om te begrijpen hoe bacteriën de immuunreacties in de luchtwegen beïnvloeden. Het team heeft een bijzondere interesse in Toll-like receptoractivatie en de inductie van gerelateerde immuuntranscriptiefactoren. Ook worden op fluorescentie gebaseerde technieken gebruikt om te bestuderen hoe luchtwegbacteriën interageren met binnendringende virale en andere pathogenen.  

Een belangrijk doel is het ontwikkelen van duurzame microbiële oplossingen die zullen helpen bij het oplossen van gezondheidsproblemen die verband houden met de toenemende mondiale verstedelijking. 

Micro-organisms kunnen overal rondom ons gevonden worden en vertonen vaak indrukwekkende eigenschappen. Doordat ze voornamelijk geassocieerd worden met ziektebeelden, worden hun gunstige eigenschappen sterk onderschat. Zo zijn ze onontbeerlijk voor de productie van gefermenteerde voeding en dranken, voor de aanmaak van verschillende antibiotica, voor een correcte vertering van ons voedsel, en voor het in stand houden van onze algemene gezondheid. Merkwaardig genoeg is er weinig geweten over de genetische achtergrond en de moleculaire mechanismen die aan de basis liggen van deze gunstige eigenschappen. Zo kunnen we maar voor een fractie van de totale genetische achtergrond van deze micro-organismen een functie voorspellen. Er zijn zelfs nog minder genen waarvoor een concrete functie reeds met zekerheid aangetoond werd. Het overgrote deel van de genetische rijkdom heeft dus een ongekende functie, en wordt de genetische “dark matter” genoemd, onontdekt genetisch terrein. Professor Vandenheuvel heeft een passie voor het ontrafelen van deze mysterieuze genetische rijkdom om zo het volledige biotechnologische potentieel van micro-organismen te kunnen benutten. Door gebruik te maken van gerichte genetische manipulatie en het ontwerpen van doordachte genetische circuits tracht hij micro-organismen een genetische “upgrade” te geven om ze un te kunnen zetten in de verschillende takken van de biotechnologische industrie.  

Als geneticus is professor Vandenheuvel voornamelijk geïnteresseerd in het onderzoeken van nieuwe genenclusters en hun rol in het afbreken van vervuilende stoffen. Bioremediatie is voornamelijk gekend in de verwerking van afvalwater, maar kan ook ingezet worden om vervuilde industriële gronden te zuiveren van gelekte olie of chemicaliën, om polluenten in de lucht afkomstig van uitlaatgassen af te breken, om onaangename geuren te verwijderen van nieuwe meubels, stoffen voorwerpen en zelfs om kunstwerken te reinigen. 

Het onderzoeksteam richt zich ook op het gebruik van bacteriofagen, virusen die specifiek bacteriën infecteren, om de algemene gezondheid te monitoren van een populatie binnen een urbane context. Hiertoe worden elektrochemische sensortechnologie gekoppeld aan biologie, waardoor unieke mogelijkheden geschept worden om de aanwezigheid van bacteriën op te volgen in afvalwaterstromen en in de voedingsindustrie. 

Professor Vandenheuvel is ook een expert in de industriële verwerking en droging van levende micro-organismen en hun afgeleide producten om zo te komen tot biotherapeutica met een verbeterde houdbaarheid. Hiervoor worden bioreactoren en een pilot-scale sproeidroger geconbineerd in een unieke pijplijn om bacteriële biomassa om te zetten in een droge poedervorm. Het droogproces tijdens het sproeidrogen wordt voltrokken in een tijdsspanne van milliseconden, waardoor de natuurlijke structuur van de biomassa (zoals de structuur van eiwitten en celmembranen, en de integriteit van levende cellen) bewaard blijft. De droge poeders vertonen dus vaak ook dezelfde natuurlijke ativiteit als hun niet-gedroogde tegenhangers (zoals de enzymatische activiteit van enzymen en de levensvatbaarheid van cellen), gecombineerd met de gunstige eigenschappen van droge poeders, zoals een verlengde houdbaarheid zonder nood aan koeling of invriezing. 

​Prof. dr. ir. Arno Wouters is docent in Levensmiddelenchemie aan het Laboratorium voor Levensmiddelenchemie en -Biochemie aan de KU Leuven. In 2022 werd hij aangesteld als gastdocent aan de Universiteit Antwerpen, waar hij een cursus levensmiddelenchemie doceert. Op onderzoeksvlak is hij geïnteresseerd in het gebruiken van verschillende plantproteïnen, met bijzondere aandacht voor graanproteïnen, om structuur te geven aan voedingsproducten. De transitie van dierlijke naar alternatieve proteïnebronnen in het globale voedingssysteem is een belangrijke uitdaging, vandaag en in de komende jaren. Om een dergelijke transitie te faciliteren is het nodig om diepgaande structuur-functie relaties op te bouwen voor plant-gebaseerde proteïnerijke materialen, zodat de functionaliteit van deze plantproteïnen in voedingsproducten kan worden verbeterd. Een belangrijk focuspunt is het gebruik van plantproteïnen om levensmiddelendispersies, zoals plant-gebaseerde zuiveralternatieven, te stabiliseren.

De huidige wereldwijde trend naar verstedelijking brengt aanzienlijke veranderingen in onze leefomgeving met zich mee. Hoewel het leven in steden veel voordelen biedt voor de gezondheid en het welzijn, concentreren zich in stedelijke gebieden ook een aantal omgevingsfactoren die onze gezondheid kunnen bedreigen. Deze situatie wordt nog verergerd door het veranderende klimaat. 

Het team van Lidia Casas voert epidemiologische studies uit om de gezondheidseffecten van omgevingsfactoren gerelateerd aan verstedelijking te onderzoeken, waaronder het omgevingsmicrobioom; buitenluchtvervuiling, omgevingstemperatuur, pollen en groene ruimten. Het team richt zich op de volgende drie onderling verbonden onderzoekslijnen. 

• Ontwikkelingseffecten van het (stedelijke) binnenmilieu op de gezondheid: het microbiële milieu tijdens het vroege leven speelt een cruciale rol in de ontwikkeling van het immuunsysteem. Een goede ontwikkeling kan niet alleen het risico op de ontwikkeling van astma en allergieën verminderen, maar ook bijdragen aan een betere ontwikkeling van de hersenen en hart- en bloedvaten. 

• Gezondheidseffecten van stedelijke luchtkwaliteit en omgevingstemperatuur: luchtvervuiling blijft een belangrijk probleem in stedelijke gebieden en draagt bij tot een brede waaier van negatieve gezondheidseffecten. Daarnaast kunnen niet-optimale omgevingstemperaturen aanzienlijk bijdragen aan de ziektelast. Het hitte-eilandeffect in stedelijke gebieden kan de negatieve gezondheidseffecten van luchtvervuiling en extreme temperaturen versterken, met grotere gevolgen voor kwetsbare bevolkingsgroepen. Het team onderzoekt zowel korte- als langetermijneffecten die helpen te begrijpen hoe deze omgevingsfactoren uitdagingen vormen voor de volksgezondheid. 

• Gezondheidseffecten van stedelijk groen en pollen: groene ruimten in stedelijke gebieden worden erkend om hun meervoudige gezondheidsvoordelen en worden beschouwd als stedelijke klimaatschuilplaatsen. Ze hebben het potentieel om de luchtkwaliteit te verbeteren door luchtvervuiling te verminderen, om het stedelijk omgevingsmicrobioom opnieuw te verwilderen en om de omgevingstemperatuur in en rond deze gebieden te verlagen. Groene ruimten kunnen echter ook het pollenniveau verhogen, wat allergieën kan verergeren en nog sterkere negatieve effecten kan hebben in combinatie met luchtvervuiling. 

Het team maakt gebruik van geavanceerde epidemiologische methoden en interdisciplinaire benaderingen om de complexe interacties tussen stedelijke omgevingsfactoren en gezondheid te ontrafelen. Het team maakt gebruik van verschillende bronnen van bevolkingsgegevens, waaronder gegevens uit nieuwe onderzoeken zoals COOLSCHOOLS, maar ook gegevens uit registers en uit twee lopende cohorten met deelnemers die sinds de jaren 1990 worden gevolgd: de PIPO geboortecohorte en de ECRHS cohorte van volwassenen. Het onderzoek wordt uitgevoerd in samenwerking met partners van de faculteit Geneeskunde en met andere nationale en internationale universiteiten en onderzoeksinstituten.