Microbiologie in hapklare porties
Het verhaal van een hulpeloze microbe
Hoe noem je een microbe als het zelf niet alle benodigde chemische stoffen (metabolieten) voor overleving kan synthetiseren? Hulpeloos! Bezorgd! Je hebt medelijden.
De microbe zal het niet met je eens zijn. Het is verreweg van hulpeloos. Niet alleen is de microbe succesvol in het stelen van de benodigde metabolieten van de omliggende microbiële gemeenschap, maar gebruikt de microbe ook antimicrobiële stoffen om zijn tolerantie te verbeteren. Maar waarom? Wetenschappers uit het VK en VAE ontdekten dat de aanwezigheid van deze afhankelijke bacteriën de metaboliet-uitwisseling in een microbiële gemeenschap laat toenemen. Actieve metaboliet-uitwisseling vergroot de capaciteit van de microben om stofjes in en uit de cel te transporteren, inclusief het uitscheiden van antimicrobiële stoffen. Dit verbetert de algemene drugtolerantie van de microben. Anders gezegd kunnen ze antimicrobieel resistent worden. Antimicrobiële resistentie is het vermogen van een microbe om de giftige effecten van antimicrobiële behandelingen te kunnen tolereren.
Wat is auxotrofie?
Herinner je de hulpeloze microbe nog? Zulke microben worden auxotrofen genoemd. Auxotrofe microben kunnen één of meer van de benodigde metabolieten niet synthetiseren voor hun overleving. Voorbeelden van zulke metabolieten zijn aminozuren, nucleotiden en vitamines. Daarentegen kunnen prototrofe microben alle benodigde nutriënten voor hun overleving maken. Auxotrofen zijn afhankelijk van prototrofen en externe supplementen voor de ontbrekende nutriënten.
Microbiële gemeenschappen bevatten zowel auxotrofen en prototrofen. Zulke gemeenschappen worden meestal geassocieerd met een gastheer. Dit betekent dat microben overleven in een habitat die wordt geboden door een ander, niet-microbieel organisme, zoals onze huid of darmen. Maar waarom leven auxotrofen liever in gastheer-geassocieerde microbiële gemeenschappen? Omdat het nutriënten-reservoir constant wordt aangevuld. Deze nutriënten van de gastheer worden door de prototrofe microben gebruikt om metabolieten te synthetiseren, inclusief nutriënten die niet gemaakt worden door de gastheer-specifieke omgeving. Dit voorziet de auxotrofen van een hoge concentratie verschillende metabolieten voor hun overleving.
Hoe beïnvloeden auxotrofe bacteriën hun omgeving?
Een auxotrofe bacterie verandert de metaboliet-uitwisseling van de microbiële gemeenschap. Wat is een metaboliet-uitwisseling zal je nu vragen? Alle microben zijn afhankelijk van verschillende metabolieten om te overleven. Om deze metabolieten te gebruiken moeten microben ze in hun celmembraan transporteren. Vervolgens transporteren de microben metabolieten waarvan ze teveel hebben buiten hun celmembraan. Deze in-en-uit cyclus creëert een fenomeen genaamd flux; metabolieten naar binnen transporteren creëert een influx en naar buiten een efflux. Deze metabolietenflux zorgt voor een uitwisseling van verschillende nutriënten tussen microben. Onderzoekers ontdekten dat de aanwezigheid van auxotrofe microben de metabolietflux van de gemeenschap verandert door de omringende microben meer metabolieten uit hun cellen te laten transporteren. Samenvattend, de efflux van alle microben in een gemeenschap wordt beïnvloed door de aanwezigheid van auxotrofe bacteriën, maar de eigen effluxsnelheid van de auxotrofen verandert meer dan de effluxsnelheid van de prototrofen.
Hoe worden microben tolerant voor antimicrobiële stoffen door auxotrofie?
Wetenschappers vroegen zich af of auxotrofie de efflux van antimicrobiële stoffen kan verhogen, net als bij metabolieten? Inderdaad, ze hadden gelijk! Een stof zoals azole (een antischimmel) remt de groei van schimmelcellen door de synthese van ergosterol te belemmeren. Ergosterol onderhoud de integriteit van de celwand van de schimmels. Als schimmelcellen geen ergosterol kunnen maken, zullen ze kapot gaan door de afwezigheid van een stevige celwand. Om de toxische effecten van azole te vermijden moet het snel weer uit de cel getransporteerd worden. Wetenschappers bestudeerden de efflux activiteit van auxotrofe en prototrofe giststammen. Ze behandelden individuele culturen van auxotrofe of prototrofe gist met azole en maten daarna de extracellulaire gehaltes van azole. Ze ontdekten dat de auxotrofen een hoger extracellulair azole-gehalte hadden dan de prototrofen, wat suggereert dat de auxotrofen de stof efficiënter naar buiten pompten. Daarnaast groeiden de auxotrofen beter in de aanwezigheid van azole dan de prototrofen. En als laatste ontdekten de wetenschappers dat wanneer de microben in een co-cultuur waren gegroeid, de auxotrofen de algemene tolerantie van antimicrobiële stoffen van de hele microbiële gemeenschap verbeterden.
Wat betekent dit voor de microbiologie?
De verbeterde tolerantie van de auxotrofe gist voor antimicrobiële stoffen suggereert dat auxotrofie misschien een rol kan gaan spelen in het bepalen van de tolerantie gehaltes van andere microben (zoals bacteriën). Betekent dit dat auxotrofie bijdraagt aan antimicrobiële resistentie? Het antwoord op deze vraag kan ingewikkeld zijn.
Stel we hebben twee microben: A en B. A is auxotroof en B is prototroof. Een auxotrofie hebben betekent dat microbe A niet kan overleven zonder aanvulling van metabolieten voorzien door microbe B. Dit betekent dat zelfs wanneer de auxotrofe microbe A de antimicrobiële stof kan tolereren dat die alsnog sterft wanneer microbe B wel vatbaar is voor de stof! Deze lastige dynamiek van de microbiële gemeenschap beïnvloedt de algemene antimicrobiële resistentie, vooral bij gastheer-geassocieerde gemeenschappen. Een voorbeeld is de menselijke darm, een reservoir voor zulke microbiële dynamieken. Het is vaak slachtoffer van infecties en antimicrobiële resistentie is een grote barrière voor het behandelen van zulke infecties. Daarom is het belangrijk om de toevoeging van een gastheerfactor te begrijpen in de microbiële dynamiek. Het onderzoek genoemd in dit artikel is een van velen die stap voor stap de microbiële mysteries helpt ontrafelen.
Link to the original post: Yu, J.S.L., Correia-Melo, C., Zorrilla, F. et al. Microbial communities form rich extracellular metabolomes that foster metabolic interactions and promote drug tolerance. Nat Microbiol 7, 542–555 (2022).
Featured image: Image created by the author.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 