Liftende microben.





Breaking down the microbiology world one bite at a time


Liftende microben.

We hebben het allemaal wel eens geroken: de heerlijke geur buiten na een zomerse bui. Deze geur heet petrichor en bestaat voornamelijk uit het stofje geosmine, dat geproduceerd wordt door bacteriën uit de familie Streptomyces. Streptomyceten zijn niet alleen bekend door de productie van geosmine, ze zijn beroemd omdat ze de meeste soorten antibiotica produceren die tot nu toe in de kliniek worden gebruikt.

In de aarde, hun natuurlijke habitat, kunnen streptomyceten de gezondheid en productiviteit van planten verbeteren, en kunnen daardoor een duurzame oplossing zijn voor de gewasopbrengst. De groei van Streptomyces-bacteriën lijkt op dat van filamenteuze schimmels omdat ze hyfen produceren die, net zoals een mycelium, een netwerk vormen en uiteindelijk sporen vormen. Streptomyceten kunnen niet bewegen, maar kunnen hun sporen over grote afstanden laten transporteren door de wind, insecten of nematoden. Tot nu toe was het echter niet bekend hoe ze hun sporen transporteren over kleine afstanden (een aantal centimeters) om zo in een betere leefomgeving zoals het wortelsysteem van planten te groeien.

Figuur 1. Streptomyces levens-cyclus. Gemaakt met Biorender.

Recentelijk heeft de groep van Ariane Briegel met hun onderzoek bekeken hoe sporen van Streptomyces bacterien getransporteerd worden over zulke kleine afstanden. Ze gebruikten microscopie, beweeglijkheids-testen en genetica om te demonstreren dat de sporen op bewegende bodembacteriën kunnen ‘stappen’ en ze zo kunnen gebruiken als een taxi. Specifiek keken ze naar hoe de bacterie Bacillus subtilis (Bs) de sporen van Streptomyces coelicolor (Sc) kan transporteren door het direct aanhechten van de sporen aan de Bs-flagella. 

De onderzoekers hebben verschillende beweeglijkheids-testen gedaan, waarbij ze een of beide bacteriën lieten groeien op een plaat en keken naar het groeipatroon. Ze zagen dat Sc-sporen alleen ‘bewogen’ als er ook Bs-bacteriën aanwezig waren, en dat de sporen in dezelfde richting bewogen als Bs. Dit is te zien in Figuur 2A en 2B in de figuur hieronder. Een derde interessante ontdekking was dat Bs de sporen richting plantmateriaal vervoerde (Figuur 2C), in plaats van de willekeurige verspreiding die in Figuur 2A te zien is.

Figuur 2. A) Links: Sc sporen (witte puntjes) bewogen van het midden van de plaat naar buiten met de hulp van de beweeglijke Bs. Midden: Sc sporen zonder Bs, dus geen verplaatsing naar buiten te zien. Rechts: Bs groei zonder Sc sporen. B) Sc sporen lijken mee te bewegen in de richting van Bs groei (asterix = beginpunt van Bs groei) C) Links: Sc sporen zijn bewogen vanaf het midden richting plant materiaal met hulp van Bs. Midden: Sc alleen groeit niet in de buurt van het plant materiaal. Rechts: Alleen groei van Bs. Figuur uit origineel artikel.

Bs kan zich op twee manieren bewegen met behulp van zijn flagella: ze zwemmen in vloeistoffen en zwermen op een vaste ondergrond. De onderzoekers lieten zien dat Sc sporen alleen getransporteerd worden wanneer Bs zwermt, en niet wanneer het zwemt. Bs kan ook ‘schuiven’ over oppervlakten. De onderzoekers gebruikten geïmmobiliseerde Bs bacteriën (deze hebben wel flagella maar kunnen ze niet bewegen) tegenover Bs zonder flagella om te laten zien dat de verspreiding alleen plaats kon vinden wanneer er flagella aanwezig waren. 

Figuur 3. Sporen kunnen worden getransporteerd door wildtype ‘swarming’ Bs (WT) en ‘schuivende’ Bs (ΔmotAB) met flagella, maar niet door ‘zwemmende’ Bs (LC) of door Bs zonder flagella (Δhag). Figuur aangepast uit origineel artikel.

Met behulp van electron- en fluorescentie microscopie konden de onderzoekers aantonen dat er inderdaad een interactie is tussen de flagella en de Sc sporen, en niet tussen de sporen en Bs bacteriecellen zelf. 

Figuur 4. A: Sporen (gekleurd met kleurstof) worden gevonden aan het uiteinde van bacteriën, waar normaal gezien de flagella zich bevinden. B: De sporen zijn niet direct aangehecht aan de bacteriën. C: Flagella en Cs sporen lokaliseren zich beiden op dezelfde plek. D: Met kleurstof gekleurde en afgescheurde flagella hebben een directe interactie met de sporen. Figuur uit origineel artikel.

De sporen van Streptomyces coelicolor zijn niet de enige sporen die bacteriën als een taxi gebruiken om zo naar nieuwe plekken te kunnen bewegen: de onderzoekers keken naar verschillende streptomyceten en zagen dat bijna alle sporen verplaatst konden worden door de bacterie-taxi. Maar hoe kunnen ze meeliften op de flagella?

De meeste Streptomyces-sporen hebben een dikke eiwitlaag gemaakt van rodlin-eiwitten. Interessant genoeg was er bij de geteste streptomyceten een stam (Streptomyces avermitilis) die deze eiwitlaag niet had, en de onderzoekers lieten zien dat deze sporen inderdaad niet zo ver konden bewegen als de andere streptomyceet-sporen! Om er zeker van te zijn dat het inderdaad kwam door deze rodlin-laag, testten ze dit met sporen van een mutante Sc, die deze rodlin eiwitten niet kon produceren. En bingo, de sporen van deze mutant konden niet meer meeliften met de bacteriën. Dus deze eiwitten lijken inderdaad vitaal te zijn voor aanhechting van de sporen aan de flagella.

Figuur 5. C: Microscopisch beeld van een Sc spore met een rodlin-laag, dmv een scanning elektronenmicroscoop. D en E: Interactie van flagellen met rodlin laag, dmv een cryo elektronenmicroscoop. F: Reconstructie van figuur E, met groen = spore, geel = flagella, paars=rodlin laag. Figuur aangepast uit origineel artikel.

Niet alleen Bs kan als taxi dienen voor de sporen: de auteurs lieten ook zien dat andere bodembacteriën die flagella bezitten, zoals Pseudomonas fluorescens, de sporen kunnen transporteren. Dus liften is misschien een wijdverspreid fenomeen dat de streptomyceet-sporen kan transporteren op een schaal van enkele centimeters. De bewegende bacteriën die worden gebruikt door Sc worden vaak in verband gebrachtmet de wortels van planten, dus het verplaatsen met behulp van deze bacteriën kan voor transport zorgen naar een gunstige omgeving. En waarom zijn de wortels van planten gunstig voor bacteriën? Over het algemeen is de grond rondom de wortels rijk aan exsudaten (uitgescheiden voedingsstoffen van de plant), welke de bacteriën kunnen gebruiken voor hun groei. De planten krijgen daarvoor in ruil een soort bescherming tegen plant-pathogenen, omdat de bacterien (meestal streptomyceten) antibiotica produceren om de plant te beschermen. 

Deze ontdekkingen kunnen gevolgen hebben voor industriële initiatieven die gericht zijn op het verbeteren van de bodemgesteldheid rondom wortels door Streptomyces. Bovendien zou meer inzicht in liftende sporen tot dusver onbekende infectie-mechanismen van andere sporenvormende organismen kunnen ophelderen. Een voorbeeld hiervan zijn de menselijke ziekteverwekker Aspergillus fumigatus of de plant-pathogeen Aspergillus niger, waarvan bekend is dat hun sporen gebruik kunnen maken van bewegende bacteriën, net als onze Streptomyces coelicolor.


Link naar het originele artikel: Muok, A.R., Claessen, D. & Briegel, A. Microbial hitchhiking: how Streptomyces spores are transported by motile soil bacteria. ISME J (2021).

Featured image: Figure from original article under creative common license https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/


Vertaald door: Charlotte van de Velde