Microbiologie in hapklare porties

Een gif om allen te doden.

Dit verhaal komt uit het zuidoosten van de Verenigde Staten, maar had overal kunnen gebeuren. Het verhaal begint met een mysterieuze ziekte die eenden en roofvogels in de buurt van kunstmatige vijvers en meren verschalkte. De vogels konden niet op gewicht blijven en stortten neer op allerlei plekken omdat ze de beweging van hun lichaam niet meer konden controleren. De neurologische aandoening die ze opliepen, “vaculolaire myelinopathie” (VM), werd hun dood. De veroorzaker van de ellende: de cyanobacterie Aetokthonos hydrillicola.

De vraag is: hoe doodt een cyanobacterie in hemelsnaam een roofvogel?

A bit of history

De epidemie begon in de jaren ‘90, toen een grote sterfte bij Amerikaanse zeearenden opviel. Ook wilde eenden, meerkoeten, ringsnaveleenden en Canadese ganzen bleken in groten getale het loodje te leggen. De massasterfte kwam voor in de buurt van kunstmatig aangelegde wateren (een recreatiemeer, een stuwmeer met waterkrachtcentrale, agrarische wateropslag, etcetera). James Williams (1) en collega’s vonden in deze wateren een exoot, de plant Hydrilla verticillata – en daarop nog een cyanobacteriële verstekeling.

Figuur 1. Cyanobacteriën (rood) op het blad van Hydrilla verticillata. Afbeelding gekopiëerd van Susan B. Wilde et al. (2)

Figuur 2. Aethokthonos hydrillicola, de doder van adelaars. Afbeelding gekopiëerd van Susan B. Wilde et al. (2)

De epifyt (een organisme die op de oppervlakte van planten leeft) bleek een nieuwe bacteriesoort, die Wilde “Aetoktonos hydrillocola” noemde (Grieks voor “Adelaar-doder op Hydrilla) (Figuur 1 & 2). Deze bacterie leek de oorzaak van de vogelsterfte, al bleken ze verrassend genoeg onschadelijk toen de bacteriecultuur in een laboratorium aan kippen werden gevoerd (Figuur 3).

Figuur 3. Als A. hydrillicola in een laboratorium wordt gecultiveerd, is het onschadelijk voor kippen. Afbeelding gemaakt met BioRender.

Hoe de kleine bacterie de boze vogel omver blies

Cyanobacteriën zijn een fylum van fotosynthetische bacteriën. Ze gebruiken dus (zoals planten) zonlicht als energiebron en staan daardoor onderaan de voedselketen. Als verdediging vechten ze terug met een breed scala aan gifstoffen. Breinlinger en collega’s (3) vermoedden dat A. hydrillicola alleen onder specifieke omstandigheden hun toxines produceren. Om dat idee te toetsen verzamelde het team H. verticillata-planten met A. hydrillicola-bacteriën op plaatsen waar vogels ziek zijn geworden. De planten onderzochten ze met een speciale variant van massa-spectrometrie (MALDI-MSI), waarmee je een 2D-plaatje kunt maken van specifieke stoffen waar je naar zoekt. Zo werd gezocht naar cyanobacterie-specifieke stoffen (toxines, metabolieten, etcetera).

Figuur 4. De hypothese: A. hydrillicola kan een toxine alleen onder bepaalde omstandigheden produceren. Afbeelding gemaakt met BioRender.

Een onbekende stof bleek wél in de monsters uit de geïnfecteerde planten te zitten, maar níet in een laboratorium-cultuur van A. hydrillicola (Figuur 5).

Figuur 5. De chemische struktuur van AETX met 5 broom-atomen (Br). Deze struktuur is getekend met Chemwriter.

Uit de massaspectrometrie-gegevens bleek dat deze onbekende natuurlijke stof vijf broom-atomen bevatte. De voedingsbodem voor de bacteriën in het lab bevatte geen broom; dat kon dus de reden kunnen zijn dat laboratorium-bacteriën niet gevaarlijk waren. De onderzoekers voegden het zout kaliumbromide (KBr) toe aan hun groeimedium, en – eureka! – de mysterieuze stof bleek ineens wél geproduceerd te worden (Figuur 6).

Figuur 6. Rechts: A. hydrillicola kan geen toxines produceren onder reguliere laboratorium-omstandigheden. Links: met toegevoegde kaliumbromide (KBr) maakt A. hydrillicola wél het toxine.

Broom is in de natuur een schaars element. Waar komt het vandaan? Breinlinger en collega’s merkten dat de concentratie broom in kunstmatige wateren hoger was dan in de grond (20x) en natuurlijke wateren (1000x). In de herst, als H. verticillata afsterft, verwelkt de plant en geeft het grondstoffen aan zijn omgeving. Broom is daar een onderdeel van. Daarnaast bevatten veel verdelgingsmiddelen broom, en kunnen op die manier lokaal ophopen rond plekken met veel menselijke activiteit. Zo krijgt A. hydrillicola vrij spel om zijn gif te produceren.

Het gif doodt meer dan een adelaar

Het gif van de cyanobacterie kreeg de naam “Aetokthonotoxin” (AETX), dat “Adelaar-dodend gif” in het Grieks moet betekenen. Een gen-cluster dat waarschijnlijk betrokken is bij de productie van AETX (aetA-F) kon gemakkelijk worden geïdentificeerd omdat deze genen alleen in A. hydrillicola voorkwamen (Figuur 7).

Figuur 7. Gencluster in A. hydrillicola. De pijlen stellen individuele genen voor. Een gencluster is een groep van genen die samen één functie hebben (zoals het maken van een gif).

Tijdens de synthese van AETX zet de tryptofanase (AetE) het aminozuur tryptofaan om in indool, en de halogenases (AetA en AetF) voegen de broomgroepen toe. Breinlinger en collega’s mengden AetF met tryptofaan en vonden inderdaad broomgroepen aan de tryptofaan (Figuur 8).

Figuur 8. AetF bromineert tryptofaan (links) in twee stappen (midden, rechts). Deze strukturen zijn getekend met Chemwriter.

AetF werkt samen met de andere Aet eiwittenom het AETX toxine te maken.

De auteurs hebben vervolgens met geïsoleerd AETX de toxiciteit getest. Dat wordt uitgedrukt als LC₅₀(van het Engelse ‘Lethal Concentration’), dat wil zeggen de concentratie waarop 50% van de proefdieren sterft. Bij Caenorhabditis elegans (een rondworm) is 40 nM genoeg om de helft te laten sterven, bij Danio rerio (zebravisjes) zorgt 275 nM voor hetzelfde effect. Ter vergelijking: twee suikerklontjes in een wedstrijdzwembad geven een concentratie van zo’n 60 nM, genoeg om de rondwormen te doden! Bij een sublethale dosis (dat wil zeggen, een dosis waaraan het dier niet doodgaat) traden neurologische ziektebeelden zoals evenwichtsproblemen op, net zoals bij de adelaars.

Het laatste experiment van Breinlinger was een dierproef bij vogels. Kippen kregen een oplossing bijgevoerd met chemisch gezuiverde AETX, een mengsel van H. verticillata & A. hydrillicola (met AETX) of een controle-oplossing zonder toxine (Figuur 9). In de levende kippen konden de onderzoekers geen afwijken vaststellen, maar na slachting bleek er een verschil tussen de kippen die AETX kregen of niet: de witte stof in de hersenen zat vol vacuoles. Dat bewijst dat AETX de oorzaak is van de ziekte “vaculolaire myelinopathie”.

Figuur 9. Kippen kregen gezuiverde AETX (links), *H. verticillata* met *A. hydrillicola* inclusief AETX als positieve controle (midden) of met slechts controle-vloeistof als negatieve controle (rechts). Alleen de kippen die AETX toegediend kregen, ontwikkelden vacuoles in de hersenen. Afbeelding gemaakt met BioRender.

De ijzingwekkende conclusie

De cyanobacterie in kunstmatige vijvers en meren produceert dus een zenuwgif, AETX, dat zich niet alleen via via de voedselketen naar herbivore eenden verspreidt, maar ook naar carnivore roofvogels. AETX-productie heeft broom nodig, wat van nature voorkomt maar ook door toedoen van mensen lokaal kan ophopen (ironisch genoeg om bijvoorbeeld Hydrilla verticillata te bestrijden).

Zo zien we weer: alle organismen staan met elkaar en hun omgeving in verbinding. Wat één organisme schaadt, kan schadelijk zijn voor ons allemaal (Figuur 10).

Figuur 10. Het zenuwgif van de cyanobacterie kan alle organismen in het voedselweb aantasten, inclusief de mens. De plant (links) is H. verticillata, de bacterie is A. hydrillicola en het molecuul is AETX.

Eén toxine om allen te doden, en in duisternis te binden.
In het land der Aarde, waar de schaduw woont.

Link to the original post:

Featured image: Source Pen Waggener CC By 2.0 license

Vertaald door: Steven Pilon