Microbiologie in hapklare porties
De Geheime taal van de Natuur Ontrafeld
Hoewel we ze niet kunnen horen, hebben planten een geheime communicatie met hun medebewoners in de bodem. Planten kunnen honderden verschillende chemicaliën in de bodem afgeven om te communiceren met duizenden verschillende bacteriën en schimmels – en de bacteriën en schimmels kunnen reageren met hun eigen unieke chemische signalen. Deze communicatie is essentieel voor het opbouwen van een relatie tussen de plant en de microbe.
De geheime taal tussen plant en microbe is bijna net zo oud als planten zelf, en ze zijn om verschillende redenen op elkaar gaan vertrouwen, variërend van voeding tot afweer tegen ziekteverwekkers. Wetenschappers zijn al lange tijd geïnteresseerd in het manipuleren van deze communicatielijn ten behoeve van de mensheid. Onderzoekers hebben al een chemisch signaleringspad tussen tabaksplanten en de bacterie E. coli gemanipuleerd voor ziektebestrijding. Synthetische plant-tot-microbe communicatiekanalen maken gebruik van wat wordt genoemd een zender apparaat en een ontvanger apparaat. Denk erover na als een spelletje vangbal, waarbij de bal de zender is en de handschoen de ontvanger. Het ontwikkelen van het molecuul, of het zendapparaat, is echter geen gemakkelijke opgave.
Veel van deze zenderontvangersystemen maken gebruik van een molecuul genaamd acyl-homoserine lactonen. Bacteriën gebruiken dit molecuul in iets dat quorum sensing wordt genoemd, wat de bacteriën laat reageren op bevolkingsdichtheid. Na verloop van tijd hebben planten geleerd om deze bacteriën af te luisteren door acyl-homoserine lactonen te detecteren, waardoor dit systeem een veelbelovende mogelijkheid is voor exploitatie.
Maar natuurlijke chemische communicatie tussen planten en microben is biologisch erg complex, dus het manipuleren van deze systemen voor een gewenst effect leidt niet altijd tot het juiste resultaat. Bovendien kan het gebruik van acyl-homoserine lactonen vaak niet-specifieke communicatie veroorzaken. Veel planten hebben zelfs moleculen ontwikkeld die acyl-homoserine nabootsen, wat de communicatie helemaal kan verhinderen.
Nieuw onderzoek met behulp van een quorumsignaal van de bacterie Rhodopseudomonas palustris biedt echter een veelbelovend alternatief om de kracht van plant-microbe communicatie te benutten. Onderzoekers introduceerden dit quorumsignaal, genaamd p-coumaroyl-homoserine lacton, in twee verschillende soorten plant-veilige bacteriën die de planten niet ziek maken. Wanneer de bacteriën het molecuul vrijgeven als reactie op verschillende stimuli, kan het genexpressie in de planten activeren.
Het systeem ontwerpen
De onderzoekers begonnen aan de plantenkant van het verhaal door de ontvanger te ontwerpen om hun door bacteriën gemaakte signaal te detecteren. In dit geval is de ontvanger iets dat een promotor wordt genoemd. Een promotor is een DNA-sequentie die zich net voor het coderingsgebied van een gen bevindt; wanneer de promotor wordt geactiveerd, veroorzaakt dit genexpressie, wat vervolgens leidt tot de productie van eiwitten. Zonder activering van de promotor zouden er geen dingen zoals bloemen ontstaan, omdat er nooit eiwitten zouden worden gemaakt.
Onderzoekers gebruikten een bestaand promotorsysteem maar maakten enkele aanpassingen om het beter te laten werken voor hun doel. Na de promotor plaatsten ze een regulator, die helpt om hun gen van interesse aan of uit te zetten als reactie op het bacteriesignaal. Onderzoekers kozen voor een regulator van een bacterie, maar na een beetje aanpassing was het klaar om in de plant zelf te worden gebruikt.
Het systeem testen
Om te testen of hun systeem werkte, gebruikten ze een groen fluorescerend eiwit als hun gen van interesse. Als hun systeem reageerde op hun molecuul, homoserine lacton, zouden ze een felgroene kleur zien onder UV-licht. Het homoserine lacton molecuul kon extern worden toegevoegd of geproduceerd worden door bacteriën die in de wortels van de plant leefden.
Nadat ze hun systeem in hun gekozen plant, Arabidopsis thaliana, hadden geplaatst, pasten de onderzoekers het zenderapparaat homoserine lacton toe. Hoewel ze een felgroene kleur zagen onder UV-licht, was het voornamelijk gefocust op de wortels van de plant. Maar, het zender-ontvangersysteem was specifiek, omdat er geen groene fluorescentie werd gezien wanneer een ander molecuul werd gebruikt. Dit betekent dat hun systeem werkte!
Nu was het tijd om bacteriën te maken die homoserine lacton konden afgeven. Ze ontwierpen een bacterie om het aminozuur tyrosine, een essentiële bouwsteen voor eiwitten, om te zetten in homoserine lacton.
De onderzoekers wilden testen of de bacteriën die ze hadden ontwikkeld om homoserine lacton te produceren ook zouden resulteren in de activering van groen fluorescerend eiwit. Toen ze hun ontworpen planten en bacteriën samen brachten, zagen ze groene fluorescentie in de wortels van de planten. Zelfs wanneer de planten en bacteriën samen waren in niet-steriele grond met andere microben, werkte het zender-ontvangersysteem nog steeds, wat betekent dat dit systeem op een dag toegepast zou kunnen worden op gewassen om bepaalde genen te activeren.
Om de gevoeligheid van het systeem te verhogen, gebruikten onderzoekers verschillende moleculen om de productie van homoserine lacton te activeren. Bepaalde genen kunnen worden geactiveerd door verschillende stimuli, zoals moleculen. In dit geval wilden de onderzoekers het gen in de bacteriën aanzetten dat homoserine lacton produceert. Wanneer kleine moleculen zoals antibiotica werden toegevoegd aan het medium met hun ontworpen bacteriën, werd de productie van homoserine lacton geactiveerd.
Ten slotte, om de toepassingen van hun systeem in de praktijk te testen, maakten ze bacteriën die homoserine lacton produceerden als reactie op arsenicum. Arsenicum is een zwaar metaal dat de groei van planten kan belemmeren maar een veelvoorkomende vervuiler is op landbouwgronden. Wanneer de ontworpen Arabidopsis planten en bacteriën samen waren in aanwezigheid van arsenicum, gloeiden de planten groen als reactie op de expressie van het groen fluorescerende eiwit. Dit zou op een dag gebruikt kunnen worden om de landbouwomstandigheden te monitoren of zelfs planten afweersystemen te laten opzetten in reactie op de aanwezigheid van arsenicum.
Dit onderzoek legt de basis voor een nieuwe benadering van het ontwerpen van plant-microbe interacties, en in de toekomst kunnen we mogelijk de geheime taal van planten en microben gebruiken om gewassen te ontwikkelen die beter groeien en bestand zijn tegen ziekteverwekkers.
Link to the original post: Boo, A., Toth, T., Yu, Q. et al. Synthetic microbe-to-plant communication channels. Nat Commun 15, 1817 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45897-6
Featured image: Image created by the author in Biorender.com.
Vertaald door: Mira Stas
micro-bites.org 