Microbiologie in hapklare porties

Een bacterie en archaeon hand in hand.

Geschreven door:

mathysmith

Archaea en bacteriën leven al op onze planeet sinds de allereerste levensvormen op aarde verschenen. Ze hebben elke omgeving gekoloniseerd, van de diepste oceanen tot de hoogste bergen, van hete bronnen tot koude gletsjers en zelfs op onverwachte plaatsen zoals wolken!

Waarschijnlijk heb je al een idee van wat een bacterie is. Je weet dat sommigen van hen ziekten veroorzaken en je hebt waarschijnlijk gehoord dat anderen in onze darmen leven. Maar misschien heb je nog nooit van archaea gehoord. Toch zijn ze niet minder interessant dan hun bacteriële neven: ondanks dat ze extreem sterk op bacteriën lijken (je kan een bacterie en een archaeon niet onderscheiden onder de microscoop), vertonen ze een verbazingwekkende reeks aan vaardigheden. Ze kunnen overleven in zeer zoute pekel of methaan ademen in plaats van zuurstof; daarom worden ze vaak ‘extremofielen’ genoemd.

Archaea zijn voor het eerst ontdekt in extreme omgevingen, zoals vulkanische warmwaterbronnen. Bron: Wikicommons

In deze extreme omgevingen waar archaea leven kunnen we ook enkele soorten extremofiele bacteriën vinden. Ze kunnen los van elkaar leven en elk een specifieke bron van voedsel gebruiken. Ze kunnen ook in syntrofie leven, dat wil zeggen dat ze samenwerken op het gebied van voeding om elkaar te helpen. Deze syntrofie kan vele vormen aannemen, maar de vorm die we vandaag bestuderen is nogal verrassend.

Shimoyama en collega’s onderzochten in hun studie de syntrofie tussen een bacterie genaamd Pelotomaculum thermopropionicum (we zullen haar PT noemen) en een archeon genaamd Methanothermobacter thermautotrophicus (we zullen hem MT noemen).

De bacterie PT is een vergister: net als gisten die we gebruiken om bier of wijn te maken produceert zij haar energie door suiker om te zetten in alcohol in de afwezigheid van zuurstof. Aan de andere kant is de archaeon MT een ‘methanogeen’: hij ademt koolstofdioxide in (zoals wij zuurstof inademen) om zijn energie te produceren en verandert het in methaan (zoals wij zuurstof in kooldioxide veranderen).

In dit geval resulteert de vergisting van PT in de productie van koolstofdioxide wat direct door MT kan worden gebruikt voor zijn ademhaling. Dit is geen onbekend fenomeen voor wetenschappers: eerder werk toonde al een dergelijke syntrofie tussen bacteriën en archaea in omgevingen zonder zuurstof. Wat is er dan zo speciaal aan deze?

Bacteriën kunnen een of meer flagellen hebben. Bron: Wikicommons

Nou, het lijkt erop dat PT zich aan MT hecht via … haar flagellum! Je hebt deze term misschien al gehoord: het is de spaghetti-achtige structuur die spermatozoiden gebruiken om te zwemmen tot ze het eitje van het vrouwtje bereiken. Veel bacteriesoorten gebruiken een (of meer) flagellen om te kunnen bewegen in hun omgeving (figuur).

Dus waarom gebruikt PT haar flagellen voor een heel ander doel? Het lijkt twee doelen te hebben: ten eerste om te zorgen dat ze dichtbij haar MT partner kan blijven, en ten tweede om hun metabolisme te synchroniseren.

Deze synchronisatie is nodig omdat wanneer PT aan het fermenteren is, ze koolstofdioxide produceert dat MT in korte tijd moet gebruiken, anders heeft hij er geen toegang meer toe. Maar dan vraag je je misschien af: hoe weten we dat deze syntrofie geen toeval is?

Dat is precies wat het team van Shimoyama heeft onderzocht. Ze analyseerden eerst de samenstelling van de filamenten gevormd door PT en MT wanneer ze samen leven, en ze ontdekten dat deze filamenten voor het grootste deel bestonden uit flagelline, het belangrijkste eiwitcomponent van het bacteriële flagellum zoals te zien is in de figuur.

Een flagellum bestaat uit een groot eiwit wat flagelline heet. Dat bestaat op zijn beurt weer uit subeenheden (4 in dit voorbeeld). Bron: Johann Bauerfeind (2015), on iGEM.org

Ze testten ook de binding of affiniteit van dit eiwit en ontdekten dat het alleen hecht aan MT en een ander archeon waarvan bekend is dat het syntrofie vormt met PT. Dit betekent dat de evolutie het flagellum van PT heeft ‘gevormd’ om zich specifiek aan MT te binden en PT een voordeel te geven. Maar het moet MT ook een voordeel geven, anders zou de evolutie MT een verdedigingsmechanisme hebben gegeven tegen dit flagellum. Bingo: het team van Shimoyama ontdekte dat de ademhaling van MT efficiënter was wanneer PT door haar flagellum was aangehecht. Na de aanhechting komen sommige genen in MT meer tot expressie en stijgt de methaanproductie. Dat geeft aan dat MT de flagelline van PT waarneemt om zich voor te bereiden op syntrofie.

Concluderend: deze situatie tussen onze bacterie en archeon is een goed voorbeeld van wat biologen ‘co-evolutie’ noemen: aan de ene kant ‘vormde’ de evolutie PT’s flagelline om specifiek te hechten aan MT; aan de andere kant, ‘vormde’ de evolutie de MT-genen die worden geactiveerd door de aanhechting van PT’s flagelline. Als we deze relatie tussen PT en MT willen illustreren, zouden we kunnen zeggen dat ze ‘hand in hand’ samenwerken.

Notitie van MicroBites:

In dit artikel hebben we de hechte relatie tussen bacteriën en archaea besproken. Maar wat zijn archaea? Ze zijn zoals bacteriën eencellige micro-organismen zonder celkern en vallen daarom in de categorie van prokaryoten. Wat is dan het verschil tussen bacteriën en archaea?

Archaea bevinden zich in het derde domein van het leven en zoals te zien in de figuur zijn ze gecategoriseerd tussen Bacteriën en Eukaryoten (cellen met een celkern, zoals planten of wij). Zoals eerder genoemd zijn ze net zoals bacteriën prokaryoten, maar ze hebben een celmembraan dat anders is dan bacteriën en eukaryoten, terwijl hun DNA replicatie- en translatie systeem lijkt op dat van eukaryoten. Sommige eigenschappen lijken op die van bacteriën en anderen op die van eukaryoten, terwijl ze ook unieke archaea-eigen kenmerken hebben. De meeste archaea worden gevonden in extreme milieus (hoge temperaturen of hoog zoutgehalte), maar een aantal zijn ook gevonden in onze darmen.