Van Antarctica tot in onze vriezers.

                                

Breaking down the microbiology world one bite at a time


Van Antarctica tot in onze vriezers.

Antarctica is een continent waar we nog niet veel van weten. De reusachtige ijsplaten, droge lucht en extreem lage temperatuur maken het lastig om voor te stellen dat er iets kan overleven in deze barre omstandigheden. Ondanks dat is er een grote diversiteit aan micro organismen gevonden, die psychrofielen (of cryofielen) worden genoemd. Deze organismen hebben gedurende hun evolutie speciale strategieën ontwikkeld om de Antarctische winters te kunnen overleven. 

Antivries-eiwitten zijn het grote succes voor hun overleving. Deze bacteriële eiwitten zorgen ervoor dat de cellen niet kapot barsten: de eiwitten binden aan ijskristallen, waardoor het vriespunt van water onder nul graden zakt. Ookkan het ijs in de antivries-eiwitten geen grote kristallen vormen die de cellen beschadigen (1). Daarbij zorgen de antivries eigenschappen van dit eiwit er ook voor dat het ijs niet opnieuw kan kristalliseren (2). Het is ook geen verrassing dat antivries eiwitten vaker voorkomen bij (dier)soorten die wonen in koude gebieden. Verschillende vormen van antivries-eiwitten zijn eerder aangetroffen in vissen in de oceaan (3) en schimmels die op sneeuw voorkomen (4)

Muñoz en collega’s (5) waren vastbesloten om in hun onderzoek te laten zien dat Antarctische bacteriën antivries-eiwitten gebruiken voor hun overleving. Ze waren in staat om drie microorganismen te isoleren vanuit een vries-dooi omgeving, behorend tot de genera Plantibacter, Sphingomonas en Pseudomonas. Om aan te tonen of deze organismen antivries-eigenschappen bezitten keken de onderzoekers naar welke genetische sequenties de productie van zulke eiwitten reguleren. Er werden in Plantibacter twee van deze sequenties gevonden (gu3A en gu3B), eentje in Pseudomonas (afp5A) en Sphingomonas leek een genetische overeenkomstte hebben met een al bekende antivries-sequentie van de Antarctische bacterie Marinomonas primorynsis (6)

Figuur 1: Experimentele volgorde van Muñoz et al. om de antivries-eiwitten te identificeren. Gemaakt in Biorender.com

Om te testen of deze sequenties inderdaad verantwoordelijk waren voor de sturing en productie van de antivries-eiwitten, testten de onderzoekers gezuiverde antivries-eiwitten op twee groenten (Figuur 2): komkommer (fotos A en B) en courgette (fotos C en D). De onderliggende gedachte van dit onderzoek was om te laten zien dat de antivries-eiwitten van deze bacteriën de groenten zouden beschermen tegen de beschadigingen veroorzaakt door ijs. De rode pijl in foto A laat zien waar de cellen van de komkommer zijn beschadigd door het ijs in afwezigheid van antivries eiwitten. Foto B laat zien dat de cellen nog intact zijn na bevriezing, in aanwezigheid van antivries eiwitten. Dezelfde resultaten zijn zichtbaar voor de courgette, waar in foto C beschadiging van de cellen te zien is en in foto D de cellen nog intact zijn. Deze experimenten laten dus zien dat de antivries eiwitten de cellen beschermen tegen scheuren door de ijskristallen.

Figuur 2: De monsters van komkommer (A, B) en courgette (C, D) werden gecombineerd met bacteriële antivries-eiwittenom te laten zien dat de eiwitten de cellen beschermen tegen beschadiging van ijskristallen.Afkomstig uit de originele paper.

Komkommer monster:
A. zonder antivries-eiwitten
B. met antivries-eiwitten

Courgette monster:
C. zonder antivries-eiwitten
D. met antivries-eiwitten


De rode pijlen wijzen op celschade in afwezigheid van antivries-eiwitten. 

Maar wat is die magische antivries-truc, die ervoor zorgt dat er geen ijs wordt gevormd op een plek waar ijs de omgeving domineert? Het moet zeker iets krachtigs zijn, en dat is het ook! De onderzoekers vonden het aminozuur threonine in alle antivries-eiwitten. Threonine is een van de essentiële aminozuren, en is aanwezig in elk organisme op aarde (dus ook microben!). Het heeft een -OH (hydroxyl-) groep, wat het polair maakt. Wat betekent dat? Polaire stoffen trekken water aan en zijn zelf gemakkelijk oplosbaar in water. Dus de aanwezigheid van threonine maakt de interactie tussen ijs en de rest van het eiwit mogelijk. Specfiek steekt  de hydroxyl-groep vanuit het midden van het eiwit op zo’n manier uit, dat interactie met een ijskristal mogelijk is (7). In Figuur 3 is de plaatsing van threonine weergegeven in het geel (“T” staat voor threonine, een afkorting die wordt gebruikt in de biochemie). 

Figuur 3: Representatie van de AFP modellen van afp5A (links), gu3A (midden) en gu3B sequenties (rechts). Gele moleculen laten de positie van threonine (T) zien in elk van de eiwitten. Figuur uit het orginele artikel van Muñoz et al.

Onderzoek naar antivries-eiwitten kan grote gevolgen hebben voor veel technologische processen die nu worden gebruikt. Zo hebben ze potentie in cryopreservatie (8): een proces om cellen, weefsels of biologische structuren te bewaren door de stukken op hele lage temperaturen te bewaren. Omdat stamcellen en andere levensvatbare weefsels niet kunnen worden bewaard bij hele lage temperaturen zou cryopreservatie de levensduur van deze weefsels significant kunnen verlengen. 

Laten we ook de voedselindustrie niet vergeten. Antivries eiwitten worden al lang gebruikt om de structuur van groenten en dierlijk voedsel te behouden. Door voorkoming van ijskristallen tijdens vries-dooi cycli blijft het eten knapperig en vers. 

En misschien nog wel belangrijker: des te meer we ontdekken over de antivries eigenschappen van de eiwitten, des te beter kunnen we begrijpen hoe psychrofiele bacteriën zich aanpassen en kunnen overleven in een ruwe omgeving zoals Antarctica. 


Link to the original post: Muñoz, P.A., Márquez, S.L., González-Nilo, F.D. et al. Structure and application of antifreeze proteins from Antarctic bacteria. Microb Cell Fact 16, 138 (2017).

Other references:

1. Kristiansen, E. , Zachariassen, K.E. 2005. The mechanism by which fish antifreeze proteins cause thermal hysteresis. Cryobiology. (51), 262–80. 

2. Zalis, S. , Bar Dolev, M. , Braslavsky, I. 2013. Inhibition of ice recrystallization by antifreeze proteins. Cryobiology. doi:10.1016/j.cryobiol.2013.09.147. 

3. Devries, A. , Wohlschl, D. 1969. Freezing resistance in some Antarctic fishes. Science. (163), 1073–5. 

4. Hoshino, T.,  Kiriaki, M. , Ohgiya, S. , Fujiwara, M. , Kondo, H. , Nishimiya, Y. , Yumoto, I. , Tsuda, S. 2003. Antifreeze proteins from snow mold fungi. Can J Bot. (81), 1175–81. 5. Muñoz, P.A. et al. 2017. Structure and application of antifreeze proteins from Antarctic bacteria. doi: 10.1186/s12934-017-0737-2

5. Garnham, C. , Gilbert, J. , Hartman, C. , Campbell, R. , Laybourn‐Parry, J ., Davies, P. 2008. A Ca2+‐dependent bacterial antifreeze protein domain has a novel beta‐helical ice‐binding fold. Biochem J. 411(171):180

6. Leinala, E.K. , Davies, P.L ., Jia, Z. 2002. Crystal structure of β‐helical antifreeze protein points to a general ice binding model. Structure. (10), 619–27

7. Jeon, S.M. , Naing, A.H. , Park, K.I. , Kim, C.K. 2015. The effect of antifreeze protein on the cryopreservation of chrysanthemums. Plant Cell Tiss Organ Cult. doi:10.1007/s11240‐015‐0852‐x. 

8. Jang, T.H. , Park, S.C. , Yang, J.H. , et al. 2017. Cryopreservation and its clinical applications. Integr Med Res. 6(1):12-18. doi:10.1016/j.imr.2016.12.001

Featured image: https://www.process-cooling.com/articles/90162-things-to-know-about-freezing-equipment-for-food-processing


Vertaald door: Charlotte van de Velde