Microbiologie in hapklare porties
Cadmium weerstaan als een kampioen
Wist u dat cadmium (Cd) zelfs in de kleinste hoeveelheden (0,001-0,1 mg L-1) giftig kan zijn? Met een halfwaardetijd tot 25-30 jaar is dit zware metaal een milieuvervuiler die meer dan 5 miljoen bodems vervuilt en wereldwijd meer dan 10 miljard dollar per jaar kost!
Daarom werkte een groep wetenschappers aan de bacterie Gluconacetobacter diazotrophicus om te begrijpen hoe deze bacterie bestand is tegen de toxische effecten van cadmium, en zij vonden één belangrijk doelwit: de eiwitten.
Gluconacetobacter diazotrophicus: onze protagonist
De bacterie Gluconacetobacter diazotrophicus is welbekend als plantengroeibevorderaar en om zijn vermogen te overleven onder ongunstige milieuomstandigheden. Hij wordt in de landbouw veel gebruikt vanwege zijn vermogen om stikstof te fixeren, hormonen en sideroforen te produceren, in de bodem aanwezige voedingsstoffen te mobiliseren en fyto(planten)pathogenen te bestrijden.
De studie
Dr. Júlia R Moreira en haar team (2022) kozen deze bacterie om de eiwitten te ontrafelen die zorgen voor haar resistentie tegen cadmiumtoxiciteit. Zij maakten gebruik van proteomics-analyses om de gereguleerde eiwitten buiten het cytoplasma bloot te leggen.
In een van hun experimenten evalueerde het team de levensvatbaarheid (het vermogen om te overleven) van de bacterie met behulp van verschillende concentraties cadmiumchloride (CdCl2.H2O). Zij ontdekten dat bij de laagste concentratie (0,04 mM) de bacteriegroei met ongeveer 34% werd geremd, en bij de hoogste concentratie (0,2 mM) bedroeg de remming ongeveer 70%. Het team merkte ook op dat, hoewel de cellen niet significant groeiden, ze er wel in slaagden hun levensvatbaarheid min of meer te behouden. Deze resultaten suggereren dat er enkele onderliggende weerstandsmechanismen zijn die de levensvatbaarheid van de cellen onder cadmium stressomstandigheden in stand houden.
De aanwezigheid van de actoren en de daaropvolgende bevindingen
Uit hun werk identificeerden ze 722 eiwitten die 18% van de totale coderingscapaciteit van het bacteriële genoom vormen.
De wetenschappers groepeerden de betrokken eiwitten in die welke verband houden met: nutriëntenopname, oxidatieve stressrespons en eiwitcontrole.
1. Opname van voedingsstoffen:
In de bacterie werden 16 eiwitten in verband gebracht met de opname van voedingsstoffen; 9 daarvan waren buitenmembraaneiwitten, één een ijzer ABC-transporter substraat-bindend eiwit, en de overige zes waren transporter-eiwitten.
2. In reactie op oxidatieve stress:
Zes eiwitten die verband houden met de reactie op oxidatieve stress daalden. Zij hielden verband met het glutathionmetabolisme door de aanwezigheid van het Ggt-eiwit, en laten we niet vergeten dat glutathion een bekende antioxidant is die populair is om zijn vermogen om oxidatieve stress te minimaliseren.
3. Eiwitbeheersing:
Negen eiwitten hielden verband met systemen voor kwaliteitscontrole van eiwitten (om verkeerd gevouwen eiwitten en hun aggregaten op te ruimen); drie eiwitten verhinderden dat ongevouwen eiwitten zich ophoopten en zes eiwitten waren betrokken bij chaperonactiviteiten.
Om deze bevindingen samen te vatten werd een model voorgesteld. Dit model stelt voor dat G. diazotrophicus effluxpompen gebruikt om de accumulatie van Cd in het cytoplasma te stoppen. Toxines worden tegengehouden door de eiwitten die te maken hebben met de opname van voedingsstoffen en die zich buiten het cytoplasma bevinden (extracytoplasmatisch) te verminderen. Eiwitten die verband houden met de verdediging tegen oxidatieve stress worden dan gereguleerd. Blootstelling aan elke vorm van stress, inclusief cadmiumtoxiciteit, kan leiden tot verkeerd gevouwen eiwitten. Om dit te reguleren gaan verschillende controle-eiwitten een rol spelen. Zo werken eiwitten in tandem en hun regulering in elke fase, stelt de bacteriën in staat om niet alleen te overleven, maar actief deze zware-metaalstress te overwinnen.
De klimatologische onthulling – Belang van dit werk voor de toekomst
De geïntegreerde reactie van de verschillende eiwitten tijdens de blootstelling aan Cd biedt een belangrijk inzicht. Zoals de onderzoekers stellen, zijn extracytoplasmatische eiwitten met betrekking tot nutriëntenopname, multidrug efflux pompen, oxidatieve stressrespons en eiwitcontrole van vitaal belang om de weerstand tegen Cd van de bacterie te verzekeren. De verrichte moleculaire studies hebben de belangrijkste eiwitspelers en de optredende reacties die helpen bij het weerstaan van de Cd-toxiciteit geïdentificeerd.
Dit onderzoek biedt een substantiële glimp van de bescherming van de planten door de veerkrachtige endofytische bacterie (zoals onze onderzoeksprotagonist) tegen besmetting met zware metalen (Cd), in tegenstelling tot Cd-stress in de gewasplant die wordt geprojecteerd door groeistoornissen als gevolg van oxidatieve stress en/of een lage nutriëntenopname.
Dr. Moreira en haar team hopen dat hun studie en verder onderzoek de onderliggende resistentiemechanismen zal uitdiepen in soortgelijke plant-geassocieerde bacteriën die nauw samenwerken met gewasplanten voor hun overleving en betere weerstand tegen beperkende factoren (zoals toxiciteit voor zware metalen), of zelfs wanneer ze worden gekweekt in verontreinigde bodems!
Link to the original post:
Júlia Rosa Moreira et al (2022). Essential role of extracytoplasmic proteins in the resistance of Gluconacetobacter diazotrophicus to cadmium. Research in Microbiology 173.4-5. DOI: https://doi.org/10.1016/j.resmic.2022.103922
Featured image:
Image source: Original image created using craiyon, biorender and vecteezy.com.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 