Microbiologie in hapklare porties
Run-Reverse-Wrap! Het verhaal van een zwemmende pathogeen
Sommige bacteriën kunnen rondzwemmen om de omgeving te verkennen. Zij doen dit vaak met behulp van hun zweepachtige “staarten” (flagellen) om hun bewegingen aan te drijven. Beweeglijkheid kan uiterst belangrijk zijn voor hun overleving. Zo kunnen ze actief op zoek gaan naar voedingsstoffen of reageren op chemische stoffen die hen aantrekken of afstoten via een proces dat chemotaxis wordt genoemd. Er zit echter ook een negatieve zijde aan: bacteriën kunnen de beweeglijkheid gebruiken om een meer ernstige infectie bij hun gastheer te veroorzaken. De zwemactiviteit van Pseudomonas aeruginosa is een van de factoren voor zijn virulentie tegenover mensen. Onderzoekers hebben ontdekt hoe deze soort zijn zwemmende motiliteit nog doeltreffender maakt. Maar wat hebben ze nu precies ontdekt en wat betekent het voor ons?
P. aeruginosa – onze zwemmende micro-schurk
Pseudomonas spp. zijn een diverse groep proteobacteriën. De meest opvallende daarvan is de opportunistische ziekteverwekker bij de mens, P. aeruginosa, die al meer dan een eeuw door wetenschappers wordt onderzocht. P. aeruginosa is gemakkelijk te kweken en aangezien de manipulatie van zijn genoom niet moeilijk is, is het een van de sterren van het wereldwijde microbiologisch onderzoek. Hoewel niet extreem virulent, heeft P. aeruginosa een buitengewoon vermogen om snel te groeien en een zeer stevige biofilm te vormen. Dit zijn echter niet de enige redenen die haar gevaarlijk maken.
Antibioticaresistentie (de nachtmerrie van de gezondheidszorg)
P. aeruginosa is de eerste meest voorkomende oorzaak van brandwondinfecties. Bovendien veroorzaakt het vaak typische ziekenhuisinfecties die verband houden met het gebruik van beademingsapparatuur (vooral bij patiënten met mucoviscidose) en katheters. Ziekenhuizen zijn een perfecte omgeving voor bacteriën om antibioticaresistentie te ontwikkelen. Volgens het recente WHO-rapport over microbiële antibioticaresistentie in Europa is P. aeruginosa een van de negen ziekteverwekkers die in dit verband zorgen baren. Bovendien doden de multidrug resistente P. aeruginosa-stammen alleen al in de V.S. jaarlijks enkele duizenden mensen (CDC). Dit maakt het onderzoek naar de mechanismen van infectie en verspreiding van P. aeruginosa zeer waardevol.
Hoe bewegen ze?
De verspreiding van verschillende bacteriële infecties wordt vergemakkelijkt door microbiële beweeglijkheid, zoals zwemmen. Veel bacteriesoorten hebben flagellen, wat betekent dat ze ten minste één spiraalvormige ‘staart’ met een roterende motor aan de basis, in het celmembraan hebben. De variatie in het aantal flagellen en de richting van hun rotatie bepaalt de wijze van zwemmen. De flagellamotoren kunnen met de klok mee (CW) of tegen de klok in (CCW) draaien. Dit trekt of duwt de cel – of doet hem tuimelen, zoals in het geval van E. coli die tot tien flagella heeft!
Het flagellum van P. aeruginosa aan het werk
P. aeruginosa heeft slechts één flagellum en onderzoekers hebben onlangs vastgesteld dat dit de ziekteverwekker voorziet van een ‘run-reverse-pause’’ zwempatroon. De ‘run’-beweging wordt aangedreven door linksom draaien van het flagellum. Deze duwt de cel naar voren (‘duw’-modus). Vervolgens veroorzaakt de CW rotatie de ‘reverse’ beweging die de zwemrichting 180° verandert. Dit type beweging wordt ook beschreven als “pull” waarbij een bacteriecel naar het flagellum wordt getrokken. Het ‘trek’-mechanisme bleef echter verscheidene jaren onopgelost en de lichte richtingsveranderingen werden geacht te worden veroorzaakt door de Brownse beweging. Totdat…
Overgenomen uit: Bouteiller et al., 2021, Pseudomonas Flagella: Generalities and Specificities. Int. J. Mol. Sci., 22, 3337. https://doi.org/10.3390/ijms22073337
De wrap
De onderzoekers van het Departement Fysica van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei besloten de ‘pause’ in het zwemgedrag van P. aeruginosa van nabij te bekijken. Om de flagellen onder de fluorescentiemicroscoop te kunnen visualiseren, brachten Tian et al. een mutatie aan waardoor zij een fluorescerende kleurstof konden hechten aan het flagelline filamenteiwit, FliC. Vervolgens kweekten zij de bacteriën in speciale 3D-kamers die de microscopische observatie van onbeperkte beweeglijkheid mogelijk maken. Verrassend genoeg ontdekten zij dat P. aeruginosa tijdens de zwempauze niet gewoon stil blijft staan, maar in plaats daarvan zijn flagellum rond de cel wikkelt.
Hoe pakken ze het aan?
De onderzoekers lieten het niet bij het visualiseren van dit nieuwe bewegingstype alleen. Ze besloten te ontcijferen wat dit gedrag zo voordelig maakt voor P. aeruginosa. Eerst ontdekten zij het fysische mechanisme achter de ‘wrap’. Het bleek dat dit gedrag optreedt wanneer de knik in de flagellaire motor instabiel wordt als gevolg van de krachten die erop werken tijdens de ‘trek’-modus. De ‘gewikkelde’ positie van het flagellum is ook onstabiel – de flagellaire haak raakt extreem gebogen tijdens de ‘wrap’ en na enige tijd wordt de haak door de fysische spanning weer rechtgetrokken, waardoor de ‘duw’-modus begint.
Is wrappen nuttig voor de bacterie?
Naast microscopische waarnemingen hebben de wetenschappers verschillende fysische eigenschappen gemeten tijdens de beweging van de microbe, zoals de zwemsnelheid, de hoekverdraaiing en de rotatiesnelheid van het lichaam. Dankzij hun berekeningen ontdekten ze dat de omwentelingsbeweging de bacterie een veel breder scala aan mogelijkheden biedt wanneer hij van richting verandert. Wanneer P. aeruginosa in een ‘run-reverse’ modus zwemt, zorgt de ‘pull’ ↔ ‘push’ schakelaar ervoor dat de celrichting achterwaarts draait (de draaihoek is 150° tot 180°). De ‘wrap’ tussen deze modi in zorgt er echter voor dat het draaihoekbereik veel groter wordt (0°-180°, de piek draaihoek is ca. 95°). Deze uitbreiding van het draaihoekbereik is gunstig voor de bacteriën. Het maakt het verkennen van de omgeving namelijk efficiënter. Maar hoe werkt dit in de praktijk?
Chemische aantrekkingskracht
In hun laatst beschreven experiment gebruikten de wetenschappers een aantal fysische eigenschappen van de cel (bijvoorbeeld snelheid, draaihoeken en flagellaire stuwkracht) in een ‘run-reverse-wrap’ modus om een gesimuleerd model van P. aeruginosa chemotaxis te berekenen – het zwemmen naar een chemisch stofje dat de bacterien aantrekt. Met behulp van een reeks gegevens en verschillende testcondities berekenden zij hoe snel de cel naar de chemoattractant toe beweegt, afhankelijk van de vraag of de cel de ‘wrap’ in zijn motiliteit opneemt. Zoals verwacht toonden de onderzoekers aan dat dit gedrag P. aeruginosa beter maakt in chemotaxis. In de ‘wrap’-modus drijft de cel ongeveer 20% sneller naar de chemoattractant toe dan wanneer hij beweegt zonder de ‘wrap’-pauzes. Dit is het resultaat van een breder bereik van de draaihoek tijdens de verandering van de bewegingsrichting.
Is de wrap belangrijk voor ons?
In het algemeen is aangetoond dat P. aeruginosa over een nieuw type beweeg-gedrag beschikt – de flagellum ‘wrap’. Dit maakt haar een betere verkenner van zijn omgeving. Voor ons kan dit echter verschillende dingen betekenen. Ten eerste wordt een sterke flagellaire beweeglijkheid bij P. aeruginosa geassocieerd met slechtere infectieresultaten. De “wrap”-modus zou de bacterie in staat kunnen stellen de wonden (brandwond sepsis) of longen (longontsteking) efficiënter te koloniseren. De microbiële motiliteit zou dus wel eens het kandidaat-doelwit kunnen zijn voor nieuwe infectiebehandelingen. Dit ook zou kunnen gelden voor andere pathogenen dan P. aeruginosa. Bovendien denken de onderzoekers dat het mechanisme van de flagellaire ‘wrap’ het onderzoek naar microrobotica zal inspireren, een gebied dat op een dag een revolutie in de geneeskunde teweeg kan brengen. Goed gedaan, P. aeruginosa, jij kwaadaardige micro-rockster!
Link to the original post: Tian M., Wu Z., Zhang R., and Yuan J. (2022). A new mode of swimming in singly flagellated Pseudomonas aeruginosa. PNAS, 119(14)e2120508119.
Featured image: Artwork: Marta Matuszewska (author)
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 