Bioreactoren in bacteriën: Een bacteriëel microcompartiment.

                                

Breaking down the microbiology world one bite at a time


Bioreactors in Bacteria: the BaBioreactoren in bacteriën: Een bacteriëel microcompartiment.

“mitochondriën zijn de energiecentrales van de cel”

Als je tijdens de biologielessen op de middelbare school iets geleerd hebt, dan is dit het wel. Onze cellen bevatten mitochondriën, die ervoor zorgen dat we de energie hebben om ‘s ochtends wakker te worden, naar werk te gaan en ons leven te leiden. Deze organellen zijn alleen te vinden in planten en dieren. Microben, ook wel prokaryoten genoemd, hebben geen mitochondriën, en de meeste microbiologen zullen zelfs zeggen dat micro-organismen geen organellen hebben. Maar sommige microben hebben wel een soort organellen die, net zoals mitochondriën, zeer belangrijk zijn om te overleven.

Veel bacteriën hebben gespecialiseerde organellen die we bacteriële microcompartimenten (BMCs) noemen. Deze BMCs zijn geen mitochondriën, maar vervullen dezelfde rol als een energiecentrale op hun eigen manier.

In essentie is een BMC een microscopische bioreactor: Een uniek eiwit-omhulsel waarin specifieke chemische reacties plaatsvinden (Figuur 1). Na productie door de bacterien verzamelen de BMC eiwitten zich rondom een groep chemicaliën of enzymen. Vervolgens zorgen de eiwitten ervoor dat de reacties alleen binnen het omhulsel gebeuren (1). Door specifieke reacties op deze manier te compartimentaliseren worden de bacteriën afgeschermd van toxische bijproducten en kan het process efficiënter plaatsvinden. Niet alle bacteriën kunnen BMCs maken, maar degenen die dat doen overleven meestal niet zonder deze organellen. 

Figuur 1: Globaal schema van een bacteriële microcompartiment en zijn metabolische ‘kern’. Het microcompartiment zorgt er samen met specifieke enzymen en moleculen voor dat grondstoffen worden omgezet in het gewenste product. Figuur gemaakt met BioRender. 

Het eerste BMC dat is ontdekt, het carboxysoom, komt voor in fotosynthetische bacteriën. Het carboxysoom haalt CO2 uit de omgeving en zet dit om in energie voor de bacterie (1). Het duurde niet heel lang voordat er meer BMCs werden gevonden, vaak met verschillende functies. Sommige BMCs gebruiken bepaalde alcoholen of suikers voor het maken van energie voor de cel (2). Biologen hebben ontdekt dat sommige bacterien BMCs gebruiken om te kunnen overleven in hardvochtige omstandigheden, en pathogenen die deze bioreactoren bevatten kunnen de gastheer beter aanvallen en infecteren. Veel andere BMCs zijn geïdentificeerd met behulp van computerprogrammas. De functie van die BMCs is echter nog steeds een raadsel (1, 2). 

Waarom de aandacht voor BMCs?

Deze compartimenten zijn zeer waarschijnlijk ook aanwezig in onze eigen darmbacteriën. Onze microflora gebruikt namelijk specifieke BMCs om voedingsstoffen in onze darmen om te zetten in energie (1, 2). Pathogenen in de darm in het bijzonder zijn vaak zelfs afhankelijk van BMCs voor hun overleving (2, 3). Een voorbeeld hiervan is Salmonella enterica. Deze bacterie gebruikt BMCs om onze darmen beter te kunnen koloniseren, resulterend in ontstekingen en het verder vermenigvuldigen van de pathogene bacteriën (3, Figuur 2). Terwijl andere pathogenen een arsenaal aan wapens bezitten, geven de BMCs S. enterica een grote voorsprong om te overleven in wat normaal gezien (voor de bacterie) dodelijke omstandigheden zijn.

Figuur 2: (a) Bacteriele microcompartiment-functie van Salmonella enterica. (b-f) gecoördineerde invasie van Salmonella enterica. Bron: Jakobson et al. 2016. 

Aan BMCs valt er nog veel te ontdekken, met name hun rol in de levensstijl van de bacteriën. Ook is de structuur en functie van BMCs wellicht handig voor de biotechnologie. Onderzoekers hebben geleerd om zowel de structuur van- als de enzymen in BMCs te manipuleren. Door deze ‘plug en play’ aanpak kunnen wetenschappers in de toekomst BMCs herontwerpen voor een aantal doelen: Van een efficiëntere biobrandstof-productie tot transport van medicijnen binnen het menselijk lichaam (1, 4). 

BMCs mogen dan wel niet zo geavanceerd zijn als de mitochondriën, ze hebben nog steeds veel potentieel voor zowel bacteriën als mensen. 


Link to the original post:

  1. Kerfeld, C., Aussignargues, C., Zarzycki, J. et al. Bacterial microcompartments. Nat Rev Microbiol 16, 277–290 (2018). https://doi.org/10.1038/nrmicro.2018.10
  2. Stewart, K. L., Stewart, A. M., Bobik, T. A. Prokaryotic organelles: Bacterial Microcompartments in E. coli and Salmonella. ASM EcoSal Plus 9(1) (2021). https://doi.org/10.1128/ecosalplus.ESP-0025-2019
  3. Jakobson CM, Tullman-Ercek D. Dumpster Diving in the Gut: Bacterial Microcompartments as Part of a Host-Associated Lifestyle. PLoS Pathog 12(5), e1005558 (2016). https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1005558
  4. Frank, S., Lawrence, A. D., Prentice, M. B., Warren, M. J. Bacterial microcompartments moving into a synthetic biological world. Journ Biotech 163(2), 273-279 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2012.09.002

Featured image: Created with BioRender