Microbiologie in hapklare porties
Microben in kaas; competitie of samenwerking.
Gemeenschappen van microben zijn in, op en om ons heen te vinden. DNA-sequencing technologie heeft er voor gezorgd dat we de samenstelling van deze gemeenschappen uit verschillende ecosystem kunnen karakteriseren. Daarbij wordt er gekeken naar de samenstelling, diversiteit en de complexiteit van de verschillende gemeenschappen. Echter werd de meeste kennis van microbiologie en moleculaire biologie verkregen door gebruik te maken van bacteriën die gemakkelijk (genetisch) te traceren zijn en die ook nog eens heel makkelijk op te kweken zijn, zoals de model-bacterie E. coli. Veel van de moleculaire technieken zijn dan ook onvoldoende om complexere soorten en hun interacties met andere microben te onderzoeken.
Er is dus een andere manier nodig om de interacties tussen microben in de natuur te ontrafelen. Een manier die nu veel wordt gebruikt is een zogenaamde ‘model community’, een versimpelde samenstelling van micro organismen, bij voorkeur in hun natuurlijke omgeving. Vaak wordt gefermenteerd voedsel gebruikt, zoals kaas. Naarmate kaas ouder wordt, vormt er een laagje (biofilm) van schimmels en bacteriën aan de buitenkant, als onderdeel van de kaaskorst.
Onderzoekers in de onderzoeksgroep van Dutton gebruiken deze biofilms op de kaaskorst als een experimenteel systeem om de ontwikkeling en functie van de microbiële gemeenschap te onderzoeken [1,2]. In hun laatste werk heeft Duttons groep, geleid door de postdoc Emily Pierce, het kaas-modelsysteem gebruikt om specifieke genen in bacteriën aan te tonen die de groei ondersteunen wanneer een schimmel dichtbij is. E. coli was één van de bacteriën waar naar werd gekeken, zodat ze alle beschikbare technieken en kennis optimaal konden gebruiken. De genen die zo ontdekt zijn geven belangrijke moleculaire aanwijzingen voor de aard van de interactie tussen schimmels en bacteriën.
In een omgeving met weinig ijzer zijn microben afhankelijk van zogenoemde ‘sideroforen’ (Grieks: IJzerdragers). Deze stoffen worden door bepaalde microben uitgescheiden, waarna ze ijzer in de omgeving ‘opsporen’ en aan zich kunnen binden. Vervolgens worden de sideroforen weer opgenomen door de microben en zorgt het ijzer voor (betere) groei en ontwikkeling [2,3].
De groep van Dutton ontdekte dat E. coli mutanten die geen sideroforen kunnen maken en opnemen, niet konden groeien. Wanneer ze werden gekweekt samen met een schimmel, zagen ze echter wel dat E. coli kon groeien! Dit suggereert dat E. coli in de afwezigheid van eigen sideroforen gebruik kan maken van een andere sideroforenbron, zoals die van de schimmel (Figuur 1, links). Ze lieten ook zien dat E. coli inderdaad genen heeft die coderen voor een ander siderofoor-transportsysteem dat het mogelijk maakt om sideroforen op te nemen die gemaakt zijn door schimmels [4,5].
In overeenstemming hiermee konden E. coli mutanten die zowel hun eigen sideroforen als die van de schimmel niet konden opnemen, ook niet groeien (Figuur 1, rechts). Door dit genetische onderzoek hebben de onderzoekers kunnen aantonen dat E. coli baat heeft bij de schimmel-sideroforen om de groei te kunnen ondersteunen (zeker in de afwezigheid van eigen sideroforen).
Een andere belangrijke observatie van Dutton’s groep is dat schimmels die vaak voorkomen in de bodem of op onze huid ervoor zorgen dat de bacteriën eromheen minder sideroforen maken, wat suggereert dat de uitwisseling van de ijzervangers een veelvoorkomend kenmerk is van bacterie-schimmel relaties, buiten degene die op de kaaskorst voorkomen.
De resultaten van deze studie bevestigen dat de relatie tussen de bacteriën en schimmels zeer complex kan zijn, omdat interacties varieerden tussen verschillende combinaties van bacteriën en schimmels. De analyse van de auteurs suggereert bijvoorbeeld dat sommige schimmels de groei van bacteriën kunnen remmen door productie van antimicrobiële stoffen (Figuur 2). Hoe de bacteriën op deze stoffen reageren en het aantal genen dat hierbij betrokken is, verschilt significant per schimmel-partner.
Hoe dan ook, Pierce en collega’s waren in staat om verschillende thema’s aan te duiden die invloed hebben op interacties tussen bacteriën en schimmels: concurrentie om voedingsstoffen zoals aminozuren en biotine (vitamine B7), en zoals eerder genoemd het delen van geproduceerde stoffen zoals sideroforen (Figuur 2). De resultaten van deze studie benadrukken dat er nog veel te ontdekken valt in de context van inter-rijk interacties met specifiek interacties tussen bacteriën en schimmels. Vooruitgang in studies zoals deze, waar een microbiële gemeenschap wordt onderzocht op een kaaskorst, zal van cruciaal belang zijn om verder te begrijpen hoe gemeenschappen zich ontwikkelen en functioneren in hun natuurlijke omgeving.
Geciteerde werken
1. Wolfe BE, Button JE, Santarelli M, Dutton RJ. Cheese rind communities provide tractable systems for in situ and in vitro studies of microbial diversity. Cell. 2014;158: 422–433. doi:10.1016/j.cell.2014.05.041
2. Pierce EC, Morin M, Little JC, Liu RB, Tannous J, Keller NP, et al. Bacterial–fungal interactions revealed by genome-wide analysis of bacterial mutant fitness. Nat Microbiol. 2021;6: 87–102. doi:10.1038/s41564-020-00800-z
3. Neilands JB. Siderophores: Structure and function of microbial iron transport compounds. J Biol Chem. 1995;270: 26723–26726. doi:10.1074/jbc.270.45.26723
4. Sauer M, Hantke K, Braun V. Ferric-coprogen receptor FhuE of Escherichia coli: Processing and sequence common to all TonB-dependent outer membrane receptor proteins. J Bacteriol. 1987;169: 2044–2049. doi:10.1128/jb.169.5.2044-2049.1987
5. Fecker L, Braun V. Cloning and expression of the fhu genes involved in iron(III)- hydroxamate uptake by Escherichia coli. J Bacteriol. 1983;156: 1301–1314. doi:10.1128/jb.156.3.1301-1314.1983
Link naar het originele artikel: Pierce, E.C., Morin, M., Little, J.C. et al. Bacterial–fungal interactions revealed by genome-wide analysis of bacterial mutant fitness. Nat Microbiol 6, 87–102 (2021).
Vertaald door: Charlotte van de Velde
micro-bites.org 