Microbiologie in hapklare porties
Kleverige Gist: Voordelen van hardnekkig zijn
Ooit gehoord van de Chipko andolan beweging? In de jaren 1970 klampten mensen van het platteland van Noord-India zich vast aan de bomen in de hele Indiase Himalaya-regio om de commerciële houtkap te stoppen. Na de beweging verbood de regering in veel regio’s de commerciële houtkap. Naast het verbod was een langdurig effect de inzet van onderzoeken naar ontbossing en de vermindering van mijnbouwactiviteiten in de hele regio. Huh! Wie wist dat een simpele handeling van je vastklampen aan bomen zo’n positieve verandering teweeg kan brengen!
Wist je dat microben ook kleverig kunnen worden, maar dat de langdurige impact van deze hardnekkige microben misschien niet altijd zo positief is, althans, zoals blijkt uit een recent onderzoek?
Microbiële evolutie beïnvloedt mensenlevens
Microbiële evolutie binnen hun oorspronkelijke of veranderende omgeving kan een mogelijk schadelijk effect hebben op mensenlevens. Een recent voorbeeld is COVID-19: een virus dat per ongeluk van vleermuizen op mensen oversprong en een ravage aanrichtte. Deze verandering van gastheer had elke microbe kunnen overkomen. De meeste microben zijn beperkt tot hun oorspronkelijke habitat. Met veranderende omgevingsfactoren, variërend van zoiets complex als smeltende permafrost tot zoiets eenvoudigs als het gebruik van niet-afbreekbare materialen voor voedselverpakkingen, is het niet ondenkbaar dat microben hun oorspronkelijke habitat verlaten en evolueren tot betere/slechtere versies van zichzelf die zich aanpassen aan hun veranderde habitat.
Een recente studie onderzocht een dergelijk scenario door experimenteel de hechting van gistcellen aan plastic bolletjes na te bootsen. Deze gistcellen waren afkomstig van menselijke klinische monsters. Het argument van de onderzoekers was gebaseerd op het feit dat microben kunnen evolueren in een omgeving zonder levende gastheer en pathogeen kunnen worden voor bepaalde gastheren, ook al heeft de evolutie niet plaatsgevonden in de aanwezigheid van de gastheer. Een dergelijke evolutie is gebaseerd op de selectie van gunstige eigenschappen. In de evolutiebiologie vindt ‘selectie’ plaats wanneer bepaalde geëvolueerde genen/kenmerken/fenotypen de organismen helpen zich te vermenigvuldigen of beter te overleven in een bepaalde omgeving, wat leidt tot geëvolueerde microben. In het geval van dit onderzoek werden verschillende gunstige fenotypes geselecteerd terwijl de gist zich aan plastic hechtte. Deze eigenschappen omvatten een groter vermogen om zich aan het plastic te hechten, de vorming van georganiseerde klonters op vaste oppervlakken (biofilms) en vloeistof (drijvende matten of flor). De onderzoekers ontdekten ook dat de gist met een verhoogd vermogen tot biofilm/florvorming en klontering pathogeen was in de larven van de grote wasmot (zie leuk weetje!).
Plakkerige gist wordt plakkeriger!
De onderzoekers voerden experimentele evolutie-experimenten uit, waarbij ze gist gedurende 400 generaties kweekten in glazen buisjes die elk een plastic kraal bevatten. Bij elke generatie werden alleen de gistcellen die aan de plastic kraal bleven kleven overgebracht naar een nieuwe glazen buis voor verdere kweek. Ter vergelijking kweekten de onderzoekers ook gist in glazen buisjes zonder plastic korrels (controle). Ze verzamelden monsters van geëvolueerde gist populaties gedurende 400 generaties op meerdere tijdstippen. Aan het einde van het experiment testten ze of de geëvolueerde populatie beter hecht aan het plastic. Ze kweekten niet-geëvolueerde en geëvolueerde gistcellen in kleine platen met meerdere openingen (wells). Zodra de gist volledig gegroeid was, verwijderden de onderzoekers de culturen, spoelden ze de platen en lieten ze enige tijd drogen. Hierna maten de onderzoekers de fluorescentie van de overgebleven gistcellen die aan de bodem van de wells vastzaten (zie leuk weetje!). en ontdekten dat de geëvolueerde gist na verloop van tijd beter in staat was om aan de plastic wells te blijven plakken.
Kleverige gist vormt ‘films’
De onderzoekers kweekten de (niet geëvolueerde en geëvolueerde) controlegistcellen op vaste agarmedia en vloeibare media om te berekenen of de cellen georganiseerde klonten (‘films’) kunnen ontwikkelen op zowel vaste (biofilms) als vloeibare (flor) oppervlakken. Door de koloniemorfologie te scoren van 0 tot 5 op vaste agar (0 voor eenvoudige kolonies en 5 voor korrelig niet-glad uiterlijk), konden de onderzoekers vaststellen dat de geëvolueerde vasthoudende gistcellen een groter vermogen hebben om biofilms te vormen in vergelijking met de niet-geëvolueerde, niet-vasthoudende gistcellen en alle controlegistcellen. Op dezelfde manier werd voor vloeibare media de bloemvorming gescoord op 0 voor eenvoudige matvorming en 5 voor complexe matvorming op het vloeistofoppervlak en ook hier scoorde de hardnekkige gist meer dan de niet-vasthoudende.
Kleverige gist wordt virulent!
Tot slot wilden de onderzoekers weten of de kleverige, ‘filmige’ gist ook virulenter is. Maar er was een voorbehoud! Ze merkten dat sommige van deze geëvolueerde gisten ook pseudohyfen vormden, wat een meercellige filamenteuze groei is (een soort progressieve knopvorming in één richting). De ontwikkeling van de pseudohyfen was niet afhankelijk van de toegenomen kleverigheid en het vermogen om biofilm/bloem te vormen, maar eerder van de beperkte beschikbaarheid van stikstof. De onderzoekers beschreven het voorkomen van alle drie de fenotypen (kleverig, filmig, filamenty!) als hyper-multicellulariteit, hoewel dit niet betekent dat de gisten die ze alle drie bezaten de hoogste waarden hadden voor een van de drie fenotypen. Ze bezaten gewoon een beetje van allemaal!
Vervolgens gingen de onderzoekers op zoek naar de virulentie van deze hyper-multicellulaire gist ten opzichte van de gisten die geen of weinig van deze fenotypen bezaten (niet-multicellulair). De onderzoekers injecteerden wasmotlarven met beide soorten gist en volgden hun groei gedurende 7 dagen. Ze stelden vast dat larven geïnjecteerd met hyper-multicellulaire gist bijna 30% meer kans hadden om te sterven dan larven geïnjecteerd met een niet-multicellulair type.
Voorzichtige interpretatie!
Het is niet duidelijk of het vastklampen aan plastic of een ander soort oppervlak gist schadelijker maakt. Voor bacteriën variëren de uitkomsten. Bij Burkholderia cenocepacia bijvoorbeeld verhoogde het vastklampen aan plastic kralen de biofilm morfologie en veroorzaakte het mutaties die gekoppeld zijn aan langdurige infecties. Wanneer Pseudomonas aeruginosa bacteriecellen zich vasthielden aan kralen, resulteerde dit in minder biofilmlagen maar een verhoogde resistentie tegen antibiotica, vergelijkbaar met veranderingen die gezien worden bij langdurige infecties. Of hetzelfde kan worden gezegd van gist, is niet bevestigd.
Bovendien was een andere factor in deze studie dat de giststammen afkomstig waren van menselijke klinische monsters, wat zou kunnen betekenen dat het virulentiefenotype in eerste instantie niet geheel onverwacht was. Concluderend kan echter worden gesteld dat deze studie ons vertelt dat veranderende omgevingsomstandigheden (bijvoorbeeld het steeds vaker voorkomen van microplastics of de steeds grotere kloof tussen de temperatuur van het menselijk lichaam en de omgeving) een selectieve druk kunnen uitoefenen op microbiële populaties om te evolueren naar schadelijke fenotypes. En wij mensen moeten ons daar bewust van zijn en op voorbereid zijn!
Link to the original post: Luke I Ekdahl, Juliana A Salcedo, Matthew M Dungan, Despina V Mason, Dulguun Myagmarsuren, Helen A Murphy (2023) Selection on plastic adherence leads to hyper-multicellular strains and incidental virulence in the budding yeast eLife 12:e81056. https://doi.org/10.7554/eLife.81056
Featured image: Image created by the author in adobe illustrator and deepai.org
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 