Evolutie van bacteriële beweging ontrafeld
Een internationaal team met onderzoekers uit Leiden heeft ontdekt hoe een bacterie een intern systeem heeft herschikt om grip op beweging te krijgen. Gecontroleerde beweging is heel belangrijk bij het binnendringen van een gastheer, met mogelijk ziekte tot gevolg. Publicatie op 27 april in Nature Communications.
Bacteriën van ‘neus’ tot ‘staart’
Cellen zitten vol complexe systemen waarvan de herkomst een mysterie is. In bacteriën zijn negentien verschillende systemen bekend die gebaseerd zijn op ‘reuk’, zogeheten chemosensorische systemen (zie kader). In de gepubliceerde studie hebben de onderzoekers een oerversie van het chemosensorische systeem van de modelbacterie Escherichia coli in verschillende andere bacteriën gevonden, zoals de ziekmakende bacterie Pseudomonas aeruginosa en Vibrio cholerae, de bacterie die cholera veroorzaakt. Verder leidde de studie naar de herkomst van het chemosensorische systeem van E. coli, inclusief de evolutionaire stappen die hebben geleid tot de hedendaagse E. coli. Deze vindingen kunnen helpen bij de ontwikkeling van antimicrobiële middelen die zich richten op het chemosensorische systeem. Vanuit Leiden zijn Ariane Briegel, hoogleraar Ultrastructuurbiologie bij het Instituut Biologie Leiden en promovendus Wen Yang bij de studie betrokken.
Bacteriën bewegen op basis van chemosensorische ‘geursignalen’ uit de omgeving. De ‘geur’ komt bij de bacterie binnen via de ‘neus’ en activeert een systeem binnenin de bacterie om de draairichting van de flagellen te bepalen. Flagellen zijn ronddraaiende ‘staarten’ waarover veel bacteriën beschikken om door de omgeving te navigeren. Ze brengen de bacterie naar wat interessant is, en weg van wat onaantrekkelijk is. Deze ‘geursignalen’ zijn erg belangrijk voor ziekmakende bacteriën om hun gastheer te kunnen binnendringen.
Systeem onder stress
Toen de onderzoekers naar de bacteriën onder stresscondities – door middel van uithongering – keken, ontdekten ze dat onder deze omstandigheden een andere vorm van het chemosensorische systeem tevoorschijn kwam in Vibrio cholerae en Pseudomonas aeruginosa. Door de evolutionaire geschiedenis van het systeem na te speuren, bleek het te gaan om een oervorm van het systeem dat nu aanwezig is in E. coli. De onderzoekers ontdekten dat deze oervorm via een aantal evolutionaire stappen een ander systeem heeft overgenomen, en daarmee controle van de flagellenmotor verkreeg. De combinatie van de twee systemen vormt nu het chemosensorische systeem in hedendaagse E. coli-bacteriën. Deze vinding laat zien hoe complexe systemen in de evolutie een nieuw doel hebben kregen.
IJskoude microscopie
De onderzoekers waren in staat om de bacteriën te bestuderen met behulp van cryo-elektronenmicroscopie en bioinformatica. Binnenin een cryo-elektronenmicroscoop is het bijna 200°C onder nul. Door microben heel snel te bevriezen, blijven ze perfect geconserveerd in een glasachtig ijslaagje. Met cryotomografie nemen de onderzoekers honderden foto’s van bacteriën in verschillende stadia en kunnen ze de microben reconstrueren in drie dimensies op macromoleculair niveau. Briegel en anderen verzamelden de data bij Caltech, Pasadena, Californië. Leiden heeft een vergelijkbare faciliteit voor cryo-elektronenmicroscopie bij het Nederlands Centrum voor Elektronen Nanoscopie (NeCEN), waar Briegel co-director is.