Microbiologie in hapklare porties
Bacterieel zesde zintuig: De dood detecteren om te overleven
Niet alle bacteriën loners. Veel soorten klonteren met miljoenen samen en vormen dichte matten – je hebt ze vast wel eens in je doucheputje gezien als het iets te lang geleden is dat je voor het laatst hebt schoongemaakt.
Dit vermogen om een gemeenschap te vormen, biofilms genaamd, is vaak een essentiële overlevingstechniek. Complexe gemeenschappen kunnen individuele bacteriën helpen overleven als er weinig voedingsstoffen zijn en de omgeving ruw is, of zelfs in aanwezigheid van antibiotica. Deze biofilms kunnen echter ongelooflijk moeilijk te verwijderen zijn en een bedreiging vormen in klinische omgevingen.
Maar waarom en hoe biofilms worden gevormd, wordt niet goed begrepen. Nieuw onderzoek heeft aangetoond dat sommige bacteriën biofilms vormen nadat ze de dood van de bacteriën om hen heen hebben opgemerkt.
Bacteriën worden voortdurend bedreigd door virussen, bacteriofagen genaamd, die bacteriecellen kunnen infecteren en openbreken. Naast de vele andere dingen waar biofilms bacteriën tegen beschermen, bieden ze ook een uitstekende bescherming tegen bacteriofaag aanvallen.
Onderzoekers van de Carnegie Mellon University keken hoe de bacterie Vibrio cholerae reageerde op lytische fagen (meer over lytische fagen in dit artikel). Toen de bacteriën werden blootgesteld aan de fagen, terwijl ze aanvankelijk enkele uren celsterfte ondervonden, vormden de overlevende leden biofilmachtige structuren. Onderzoekers bevestigden dat deze structuren echte biofilms waren door de genexpressie te controleren van een specifieke suiker die veel voorkomt in biofilms.
Terwijl bacteriën aan de buitenkant van de film gevoelig waren voor bacteriofaag infectie, werden de bacteriën die het geluk hadden aan de binnenkant te zitten afgeschermd, wat betekent dat de bacteriën biofilms vormen om zichzelf te beschermen tegen bacteriofaag activiteit.
Maar hoe de bacteriën wisten dat er fagen in de buurt waren, was nog onduidelijk. Onderzoekers hypothetiseren dat de bacteriën de fagen zelf konden waarnemen of bacteriële sterfte om zich heen konden waarnemen. Om te achterhalen waar de bacteriën precies op reageerden om biofilms te vormen, introduceerden de onderzoekers cellysaat (bacteriën die zijn afgestorven en opengebroken) bij de gezonde bacteriën.
Bacteriën die worden blootgesteld aan cellysaat verhogen hun biofilm productie zonder fagen. De bacteriën reageerden niet direct op de fagen, maar in plaats daarvan op de dood van hun medebacteriën. Maar wat precies in het cellysaat van de dode bacteriën zette de biofilmproductie in de wachtrij? Onderzoekers keken eerst naar een molecuul genaamd polyamine norspermidine als kandidaat. Deze molecule is overvloedig aanwezig in Vibrio cholerae, maar wordt niet uitgescheiden buiten de bacterie, waardoor het alleen kan worden waargenomen als een bacterie openbreekt.
Om te testen of het polyamine norspermidine de aanzet gaf tot de ontwikkeling van een biofilm, ontwikkelden onderzoekers bacteriën die het molecuul niet konden produceren. Toen deze bacteriecellen werden gelyseerd en blootgesteld aan de levende bacteriën, vond er geen biofilmproductie plaats.
Ze ontdekten dus op welk molecuul de bacteriën reageerden, maar de onderzoekers wilden vervolgens kijken hoe de levende bacteriën dat molecuul voelden. Eerdere studies hebben aangetoond dat een receptor genaamd MbaA verantwoordelijk is voor het reguleren van biofilmvorming in reactie op norspermidine.
Om te bepalen of de MbaA-receptor ook nodig was voor biofilmvorming in aanwezigheid van gelyseerde cellen, gebruikten ze een bacteriestam met een MbaA die niet werkt. Toen deze bacteriën werden blootgesteld aan het cellysaat van de dode bacterie, vond er geen biofilmproductie plaats. Dit betekent dat zowel de molecule norspermidine als de receptor MbaA verantwoordelijk waren voor het induceren van biofilmvorming.
Om te controleren of biofilmvorming bacteriën daadwerkelijk beschermde in de aanwezigheid van fagen, keken de onderzoekers naar de overlevingskansen van hun normale bacteriën en hun gemuteerde bacteriën, die ofwel een gemuteerd MbaA hadden of niet in staat waren om het polyamine norspermidine te produceren.
Terwijl de normale bacteriën in staat waren om hun populaties te herstellen na blootstelling aan fagen, vertoonden de niet-biofilmvormende mutantbacteriën lagere overlevingspercentages.
Maar kan het detecteren van cellyse bacteriën beschermen tegen andere bedreigingen?
Sommige bacteriën hebben het vermogen om een toxine af te scheiden in de bacteriën om hen heen, vaak beschouwd als een moleculaire spuit. Het toxine resulteert in cellyse voor de onfortuinlijke bacteriën aan de ontvangende kant.
Om te bepalen of dit type cellyse beschermd zou kunnen worden door biofilmvorming, brachten de onderzoekers hun gezonde bacteriën en hun gemuteerde bacteriën in contact met Acinetobacter baylyi, een bacterie die de moleculaire spuit bevat. Alleen wanneer de gezonde bacteriën eerst werden behandeld met het polyamine norspermidine vertoonden ze een verhoogde overleving in vergelijking met de gemuteerde bacteriën, wat betekent dat de lysisactiviteit van Acinetobacter baylyi mogelijk te snel werkt om biofilmvorming te laten plaatsvinden. De bescherming die werd geboden door de voorbehandeling met polyamine norspermidine geeft echter wel aan dat biofilmvorming bacteriën beschermt tegen verschillende soorten lysis.
Bacteriën krijgen tijdens hun leven te maken met veel verschillende bedreigingen en hoe ze hun levensstijl veranderen om zichzelf tegen deze bedreigingen te beschermen, blijft grotendeels onbekend. Dit onderzoek heeft echter een belangrijk stukje van de puzzel blootgelegd – sommige bacteriën zijn in staat om de dood aan te voelen en daarop te reageren.
Link to the original post: Prentice, J.A., van de Weerd, R. & Bridges, A.A. Cell-lysis sensing drives biofilm formation in Vibrio cholerae. Nat Commun 15, 2018 (2024).
Featured image: Image made by the author with Canva.com
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 