Microbiologie in hapklare porties
Afgebroken polysachariden als signaal voor foerageergedrag
Een energierijk dieet is over het algemeen essentieel voor het overleven van een organisme. Gedurende onze dag eten we veel fruit en groenten. Dergelijke voeding wordt tijdens de spijsvertering afgebroken tot kleinere moleculen, die ons vervolgens energiek houden. Veel organismen eten echter geen complexe voeding zoals wij.
Veel bacteriën gebruiken polysaccharide, een polymeer van suikermoleculen, direct als energiebron. Bacteriën produceren exo-enzymen om de polysachariden af te breken in kleinere moleculen die oligosachariden worden genoemd. Om polysachariden efficiënt af te breken, werkt een groep bacteriën samen en produceren ze gezamenlijk exo-enzymen om de molecule af te breken. Zodra de polysacharide volledig is afgebroken, is het belangrijk voor bacteriën om zich te verspreiden en op zoek te gaan naar nieuwe voedings- en energiebronnen. Maar hoe weet een bacterie wanneer de voeding is uitgeput? En hoe slaagt een bacterie erin om af te breken en weg te rennen van de klomp omringende bacteriën?
In dit onderzoek gebruikten Astrid en de groep Vibrio cyclitrophicus om de schakelaar van de cellulaire machinerie te begrijpen die bacteriën helpt om weg te lopen van een uitgeputte voedingsbron. Vibrio cyclitrophicus haalt energie uit de afbraak van een polysaccharide genaamd alginaat.
Alginaat is een belangrijk bestanddeel van de celwand van bruinwieren. Tijdens het groeien op alginaat breken Vibrio cellen het af in kleinere fragmenten (verteerd alginaat). Met behulp van microscopie probeerden de auteurs eerst te zien hoe de cellen zouden reageren op de aanwezigheid van alginaat of verteerd alginaat. Ze ontdekten dat wanneer bacteriën alleen in de aanwezigheid van alginaat worden gekweekt, de bacteriën na elke celdeling aan elkaar plakken en grotere klonters vormen. Wanneer bacteriën echter alleen met verteerd alginaat werden gevoed, verspreidden ze zich na elke paar celdelingen en vormden ze alleen kleinere groepen, zoals te zien is in de onderstaande figuur. Dit suggereert dat Vibrio cyclitrophicus probeert samen te blijven om complexe polysacchariden zoals alginaat af te breken.
Onder natuurlijke omstandigheden neemt de hoeveelheid alginaat na verloop van tijd af terwijl die van verteerd alginaat toeneemt. Om te begrijpen hoe de groep bacteriën reageert op de veranderende relatieve overvloed van alginaat en de verteerde vorm, kweekten de wetenschappers bacteriën in het begin op alginaat en vervingen dit later door de verteerde producten.
Ze ontdekten dat zodra de bacteriën overschakelen op het verteerde alginaat als voeding, de bacteriën beginnen te bewegen en zich verspreiden. Ze kwantificeerden dit gedrag en ontdekten dat bacteriën gekweekt in de aanwezigheid van verteerd alginaat beweeglijker zijn dan intact alginaat.
Om te begrijpen of de beweeglijkheid van de bacteriën willekeurig of specifiek is, testten de auteurs de chemotaxis respons van de bacteriën ten opzichte van alginaat en verteerd alginaat. In een chemotaxisplot geeft een hogere waarde aan dat de bacteriën van dat molecuul houden. De auteurs stelden vast dat bacteriën aangetrokken worden door onverteerd alginaat. Dit suggereert dat bacteriën zich verspreiden in de aanwezigheid van verteerd alginaat om te proberen onverteerd alginaat te vinden, waar intact alginaat duidt op een ongebruikte bron van energie.
Tot slot gebruikten de auteurs RNAseq-analyse om te zien wat er in de bacteriën gebeurt als het dieet wordt veranderd van alginaat naar verteerd alginaat. Ze ontdekten dat de bacterie op alginaat langzaam groeit en niet veel nieuwe eiwitten produceert. Ze ontdekten ook dat de bacterie niet veel flagellen produceert, een draadachtige structuur die bacteriën gebruiken om zich voort te bewegen. In aanwezigheid van verteerde producten begint de groep bacteriën echter sneller te groeien en produceert meer energie, meer eiwitten en meer flagellen. Dit alles zorgt ervoor dat de bacteriën zich efficiënt kunnen voortbewegen.
Al met al geeft dit onderzoek waardevolle inzichten in wanneer, waarom en hoe bacteriën foerageren in de natuur. De auteurs toonden aan dat Vibrio in klonten groeit in de aanwezigheid van complexe polysacchariden zoals alginaat. De vorming van zo’n klomp stelt Vibrio in staat om alginaat efficiënt te verteren. Zodra de bacterie de aanwezigheid van verteerd alginaat detecteert, begint hij zich snel te delen en verspreidt hij zich om meer alginaat in de omgeving te vinden. Deze gedragscyclus stelt Vibrio in staat om nieuwe niches te verkennen op zoek naar voedsel.
Link to the original post: Astrid KM Stubbusch, Johannes M. Keegstra, Julia Schwartzman, Sammy Pontrelli, Estelle E. Clerc, , Roman Stocker, Cara Magnabosco, Olga T. Schubert, Martin Ackermann, Glen G D’Souza. Polysaccharide breakdown products drive degradation-dispersal cycles of foraging bacteria through changes in metabolism and motility. eLife. DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.93855.1
Featured image: Adapted from Astrid et. al (2024)
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 