Microbiologie in hapklare porties
Vuur! Een blik op bacteriële harpoengeweren
Bacteriën leven zelden geïsoleerd in een omgeving; normaal gesproken zitten ecosystemen bomvol verschillende bacteriën, schimmels en andere organismen die vaak concurreren voor dezelfde voedingsstoffen om te overleven. Sommige bacteriën hebben een handige manier geëvolueerd om zichzelf een competitief voordeel te geven: moleculaire nanomachines die werken als eiwit “harpoengeweren”. Net als een harpoengeweer heeft het een gespannen veer met een stevige bout en is klaar om te vuren wanneer de trekker wordt overgehaald. Deze bacteriële nanomachines zijn verlengd en klaar om een interne tube vol goederen af te vuren in de omgeving of direct in doelwitcellen.
Al eerder bekende bacteriële harpoengeweren, ofwel samentrekkende injectie systemen (CISs), hebben laten zien dat ze direct invloed hebben op de andere organismen in de omgeving. Bijvoorbeeld een CIS van de Serratia entomophila, deze wordt ook wel de “antifeeding prophage” of AFP genoemd, omdat het in staat is om de voedingsactiviteit van insectenlarven te stoppen door het injecteren een insecten gifstof bij het inslikken. Een ander voorbeeld zijn de “metamorphosis-associated contractile structures” (MACs) geproduceerd door de Pseudoaltermonas luteoviolacea. Deze bestaan uit een reeks van honderden aan elkaar gebonden CISs met hun “harpoenen” naar buiten gericht, klaar om te vuren. Wanneer MACs de zeeworm Hydroides elegans tegenkomen injecteren ze moleculen die ervoor zorgen dat de wormen een metamorfose ondergaan – de vrij zwemmende wormen larf wordt een volwassen buisworm dat aan stenen, koraal en de rompen van schepen gaat kleven. Recente publicaties in Nature Microbiology beschrijven de ontdekking van twee nieuwe CISs gemaakt door aquatische bacteriën.
Meercellige cyanobacteriën produceren CISs op nieuwe plekken
Cyanobacteriën, ook bekend als de blauw-groen algen, zijn een van de meest voorkomende organismen op de planeet. In staat tot fotosynthese, kunnen deze veelzijdige organismen gedijen in veel milieus: van vochtige bodems tot zoete- en zoute wateren. Ze kunnen bestaan als eencellige, filamenten en zelfs als ‘dekens’, nauw samenwerkend met andere microben. Onderzoekers gebruikten een electronenmicroscoop om filamenten van cyanobacteriën in beeld te brengen en zagen toen iets verrassend erin verstopt: in de chloroplasten zaten CISs ingebed in thylakoïdemembranen, de plek waar fotosynthese in de bacteriecel plaatsvindt. Eerder gevonden CISs zaten aan de buitenkant van het celmembraan of dreven rond in het midden van de cellen; deze thylakoïde-gebonden CISs of tCIS zijn een compleet nieuwe klasse van CIS, wat ze dus ook zo interessant maken. Wanneer cyanobacteriën onder stress staan (bijvoorbeeld in omgevingen met een hoge zoutconcentratie of als ze blootgesteld zijn aan UV-licht) vervagen de buitenste lagen van de cel en wordt het een zogenaamde “ghost cell”. De naar buiten gerichte tCIS staan dan paraat om te vuren bij contact met het doelwit.
De onderzoekers isoleerden individuele tCIS uit de cyanobacteriën zodat ze de eiwitsamenstelling van deze harpoengeweren konden bepalen en de individuele atomen in kaart konden brengen met een electronenmicroscoop voor een 3D-model. Ze bestudeerden daarna deze modellen om belangrijke delen van de CIS te lokaliseren die het zijn unieke eigenschappen geven: zoals zich verbinden aan thylakoïdemembranen van de cel en het lanceren van specifieke vracht-moleculen bij samentrekking.
Het visualiseren van de CIS buiten de cel
De onderzoeksgroep ontdekte ook een andere CIS die helemaal niet gebonden zat aan een membraan, maar vrij rond dreef in de bacterie en daarna ook in de omgeving nauitscheiding. Deze “extracellulaire” CIS (eCIS) wordt geproduceerd door Algoriphagus machipongonensis en wordt vrijgelaten in de omgeving om andere cellen aan te vallen. Door de verschillende componenten vast te stellen van de eCIS ontdekte ze nieuwe kenmerken die nooit eerder gevonden waren in een CIS – een “cap adapter”. Deze zit bovenop de binnenste buis en bestaat uit een interne “plug” eiwit die de binnenste buis afsluit en een “spike cage” dat het puntige spike-eiwit bedekt, wat bijdraagt aan het richten op het doel en het voorkomen van te vroeg vuren. Deze eigenschappen geven hints over de evolutie van CIS en waarom ze zoveel verschillende typen contractile structures produceren met verschillende delen en functies.
Toepassingen van CISs in biomedicijnen
Deze bacteriën hebben gespecialiseerde moleculaire nanomachines geëvolueerd waardoor ze met naburige organismen in de omgeving kunnen interacteren. Door de 3D-modellen van de pas ontdekte tCIS en eCIS met eerder geïdentificeerde CISs van bacteriën te vergelijken, kan er worden gezien dat de bouwstenen en modules in veel CISs overeen komen. Hiermee kunnen onderzoekers in de toekomst de modulaire aard van deze moleculaire harpoengeweren gebruiken door ze om te bouwen om specifieke celtypen aan te vallen en zelfs specifieke stofjes of antimicrobiële middelen te vuren. Zo kunnen we gespecialiseerde moleculaire harpoengeweren creëren die mogelijk chemotherapieën of antibiotica direct in de cellen kunnen afleveren.
Link to the original post:
Featured image: Charles F. Ericson
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 