Dieren en planten kunnen het: vertellen welk moment van de dag het is gebaseerd op onze omgeving. Kunnen bacteriën dit?
Microbiologie in hapklare porties
Weten bacteriën hoe laat het is?
Mensen, dieren en planten hebben een zogenoemd ‘circadiaans ritme’, een interne klok die een cyclus volgt van ongeveer 24 uur. Omdat deze voornamelijk gebaseerd is op de natuurlijke cyclus van dag en nacht is het niet echt een verrassing dat dit circadiaans ritme ook is gevonden in fotosynthetische bacteriën, die licht gebruiken om hun energie te maken. Tot nu toe hebben onderzoekers dit ritme echter nog niet gevonden in bacteriën die geen licht nodig hebben om te kunnen overleven.
En waarom is dit zo belangrijk? Bacteriën spelen een grote rol in de ecologische kringlopen, maar ook in de biotechnologie en gezondheidsindustrie. De mogelijkheid om gebruik te maken van deze interne klok zou wel eens een grote impact kunnen hebben op applicaties die afhankelijk zijn van timing, zoals inname van medicijnen en bescherming van de landbouw.
Zheng Eelderink-Chen en zijn collega’s laten voor het eerst zien dat zo’n klok bestaat in Bacillus subtilis. Deze bacterie wordt voornamelijk gevonden in de grond en in darmen van herbivoren en mensen. Het is ook een interessante bacterie omdat hij wordt gebruikt in de biotechnologie om wasmiddel te maken, en voor de gewasbescherming.
De onderzoekers keken naar verschillende zeitgebers (een Duitse term, wat letterlijk ‘tijdgever’ betekent) om te zien hoe signalen uit de omgeving invloed hebben op verschillende processen in de cellen. Een van de processen waarnaar werd gekeken was de activiteit van een fotoreceptor voor blauw licht (gecodeerd door het ytvA gen). Dit gen (of homologen) is tot nu toe gevonden in alle circadiaanse systemen, waaronder in planten en schimmels.
Het tweede proces waar de onderzoekers naar hebben gekeken is er een die belangrijk is voor het maken van sporen en biofilms (gecodeerd door het gen KinC).
Om de activiteit van deze genen te meten, fuseerden ze het luciferase-gen aan de promoters ervan. Het resultaat hiervan is dat de bacteriën een bioluminescent enzym produceren zodra het gen actief is, wat meetbaar is met bepaalde apparatuur.
De eerste ‘zeitgeber’ waarnaar werd gekeken is de natuurlijke cyclus van licht en donker. De bacteriën werden om-en-om voor 12 uur blootgesteld aan een lichte en donkere omgeving, waarbij de bioluminescentie van luciferase werd gemeten. De onderzoekers vonden dat tijdens de donkere periode, de expressie van ytvA en KinC toe nam, en weer afnam tijdens de lichte periode! Deze cyclus was ook waarneembaar als de bacteriën constant in het donker werden gehouden, maar in dat geval nam het effect geleidelijk af.
Eenzelfde soort experiment was gedaan met een andere ‘zeitgeber’, namelijk de dagelijkse verandering van temperatuur. De bacteriën werden blootgesteld aan een warmte-koude cyclus van 25,5°C en 28,5°C. Een verrassende uitkomst van dit experiment was dat nu juist de expressie van beide genen omhoogging in de warme periode (wat dus een daglicht situatie zou moeten voorstellen), en omlaag in de koude periode.
De researchers laten verder in het onderzoek nog zien dat de circadiaanse ritmes van de bacteriën afhankelijk zijn van omgevingsfactoren zoals de aanwezigheid van voedingsstoffen. Ook een verrassend resultaat dat werd gevonden was dat de ritmes alleen werden gevonden in bacterieculturen die een biofilm vormden.
Dit onderzoek is het begin van een hele nieuwe lijst aan vragen: Kan de tijd van de dag waarop je wordt blootgesteld aan bacteriën belangrijk zijn voor een infectie? Kunnen we biotechnologische processen verbeteren door het tijdstip van bepaalde processen in overweging te nemen?
Nu is aangetoond dat bacteriën de tijd ‘in de gaten’ kunnen houden, is de volgende uitdaging om er achter te komen waarom dit voordelig is voor de bacterie zelf.
Link naar het originele artikel: https://advances.sciencemag.org/content/7/2/eabe2086
Vertaald door: Charlotte van de Velde
micro-bites.org 