Bacteriën slimmer dan ooit

Auteur:
Datum:
Aantal woorden:
Arthur Rep – gepubliceerd in NWT maart 2006
11 december 2005
2661
Bacteriën worden afgeluisterd
10
20
30
40
50
Sinds het ontstaan van de microbiologie stond de wetenschap op het
standpunt dat “de enige ambitie van een bacterie het produceren van twee
bacteriën is”. Maar het respect groeit, nu onderzoekers er achter komen dat
microben een veel rijker leven hebben: ze hebben sociaal contact, ze
communiceren met andere organismen en ze gaan samenwerkingsverbanden
aan. Sommige onderzoekers durven het zelfs aan om ze ‘intelligentie’ toe te
schrijven. Erkenning van de ware aard van onze allerverste verwanten kon wel
eens het ultieme wapen worden in de strijd tegen de steeds resistenter
wordende bacteriën en uitzicht bieden op een nieuwe generatie antibiotica.
Bonnie Bassler spioneert
Als een geheim agent verzamelt ze informatie
door gesprekken af te luisteren. Alleen, ze richt
zich niet op mensen, maar op de kleinste van alle
organismen: bacteriën. Haar doel is het vinden
van de Steen van Rosetta waarmee de
geheimtaal van bacteriën kan worden ontcijferd.
Bassler, 42, werkzaam aan Princeton University,
leidt een researchteam dat de bacteriële
communicatie onderzoekt bij kwalen als cholera,
tuberculose, longontsteking en
voedselvergiftiging. “Microbiologen hadden het
150 jaar lang bij het verkeerde eind”, zucht
Bonnie Bassler. “We dachten altijd dat
vrijlevende bacteriën een asociaal, individueel
kluizenaarsbestaan leidden. Maar dat is niet zo.
Zonder communicatie zouden ze nooit in staat
zijn tot wat ze allemaal doen.”
De bacteriën die Bassler zelf heeft onderzocht
veroorzaken geen ziekte bij mensen, maar leven
in zee. Ze zwemmen daar vrij rond, maar ze zijn
ook te vinden in zand, in vissen, in koraal en
Bonnie Bassler met Vibrio-cultures (foto : Denise
op afval. En, wat het meest opvalt, ze geven
Applewhite)
licht. Deze lichtgevende, of luminescerende,
Toestemming tot plaatsen is verleend – Arthur
bacteriën zijn zo algemeen dat je ze zelfs in
een koelkast met een doorgebrand lampje ziet opgloeien op niet al te verse zeevis.
Haar ontdekkingen aan deze microben bezorgden haar een MacArthurs Fellowship, goed
voor 500.000 dollar.
Quorum sensing
Ruim dertig jaar geleden zagen Woody Hastings en Ken Nealson, microbiologen aan de
universiteit van Illinois, iets vreemds aan hun kweek van de luminescerende bacterie
Vibrio fischeri die leeft in het lichtorgaan van allerlei zeedieren. In de kweekflessen
verdubbelde het aantal bacteriën zich iedere 20 minuten, maar de eerste vier tot vijf
uur bleef het donker in de flessen. Pas wanneer grote aantallen van het organisme
aanwezig waren, begonnen hun flessen helder te stralen. In eerste instantie dachten de
onderzoekers dat er iets in de kweekvloeistof, het medium, zat dat de bioluminescentie
remde en dat bij een hoge celdichtheid verdween. Dit bleek niet het geval, want toen ze
oud Vibrio-medium bij een verse cultuur gooiden begon deze licht te geven. De
60
70
80
lichtgevende bacteriën produceren dus een specifieke stof die zich tijdens de groei in
het medium ophoopt. Wanneer de concentratie van deze stof, een ‘autoinducer’, een
kritische grens heeft bereikt, wordt de bioluminescentie in alle cellen geactiveerd. Er is
dus sprake van cel-tot-celcommunicatie, waarbij de individuele cellen een
signaalmolecuul afgeven dat bij een bepaalde concentratie alle cellen aanzet tot een
gecoördineerde actie. Dit fenomeen wordt ‘quorum sensing’ genoemd, omdat er net als
in een parlement een bepaald quorum aanwezig moet zijn om een belangrijke beslissing
te nemen.
Quorum sensing bij Vibrio fischeri
Het mechanisme van quorum sensing bij Vibrio fischeri is volledig opgehelderd. Bij lage
celdichtheden zorgt het lux1-gen voor de aanwezigheid van het enzym ‘autoinducer synthase’,
dat een constante, kleine hoeveelheid acylhomoserinelacton (AHL, figuur 2) produceert,
voornamelijk OHHL (N-3-oxohexanoyl-L-homoserinelacton). Een tweede gen, luxR, zorgt voor de
aanwezigheid van een receptoreiwit dat zich hecht aan de binnenzijde van het celmembraan. De
gevormde OHHL verdwijnt snel uit de cel door diffusie, waardoor er onvoldoende overblijft om
aan receptoreiwitten te binden. Er kan alleen een hoge OHHL-concentratie in de cel worden
bereikt als er vlakbij nog meer cellen dezelfde AHL produceren. Bij een voldoende hoge
concentratie bindt een OHHL-molecuul aan een receptoreiwitmolecuul, waardoor dit loslaat van
het celmembraan en een binding aangaat met het bacterie-DNA op een plek vlak voor een reeks
genen die verantwoordelijk zijn voor de lichtproductie, het lux1CDABE-operon. Het gevolg is dat
de ‘lichtgenen’ worden geactiveerd. Omdat lux1 zelf onderdeel is van dit operon, komt het tot een
positieve terugkoppeling waardoor extra OHHL wordt geproduceerd en de lichtopbrengst
razendsnel toeneemt.
90
100
110
In zeewater is de dichtheid
maximaal 100 cellen per
milliliter. De bacteriën
produceren met behulp van het
lux1-enzym een constante,
kleine hoeveelheid autoinducer
OHHL die snel in het
omringende zeewater verdwijnt.
In het lichtorgaan van vissen is
de dichtheid 100 miljard cellen
per milliliter. Er wordt nu
voldoende OHHL gevormd om
aan de luxR-receptor te binden.
Deze laat los van het membraan
en activeert de promotor voor
het Lux1CDABE-operon.
Hierdoor worden de eiwitten die
zorgen voor lichtpro-ductie
aangemaakt. Bovendien wordt
extra lux1 gevormd waardoor
nog meer OHHL ontstaat.
Figuur 1 Quorum sensing bij Vibrio fischeri (tekening: Arthur Rep).
120
Twee communicatielijnen
Basslers lichtgevende zeebacterie, Vibrio harveyi, heeft niet zo’n gespreid bedje als V.
fischeri en leeft in een veel vijandiger wereld zoals in het darmkanaal van vissen of op
dode organische resten, waar talloze andere micro-organismen verblijven. Het licht bij
V. harveyi gaat aan wanneer ze een tekort aan ijzer hebben en ze een bepaald quorum
hebben bereikt. Ze geven zo een signaal aan passerende vissen dat er een lekker hapje
klaarligt, en verschaffen zich op die manier toegang tot de darm waar voldoende ijzer
aanwezig is. Bassler was nieuwsgierig naar de invloed van andere bacteriesoorten op
130
het gedrag van V. harveyi, maakte daar een ‘soep’ van en voegde die toe aan een V.
harveyi-cultuur. Prompt begon die te gloeien. Blijkbaar is de bacterie zo slim dat hij het
licht aandoet zodra hij weet dat hij deel uitmaakt van een hapklaar brokje, al of niet
met andere bacteriën. Bassler ontdekte in 2002 dat wat eruit zag als één
communicatiesysteem in werkelijkheid uit twee verschillende systemen bestond: eentje
dat in staat was de aanwezigheid van V. harveyi te detecteren en een tweede dat een
groot aantal andere soorten kon waarnemen. Door gemuteerde ‘reporter’-stammen te
maken kon ze de bacteriën op het ene of het andere signaal laten reageren.
Het eerste, autoinducer-I, systeem was al ontdekt bij V.fischeri, alleen wordt er bij V.
harveyi een ander dialect gesproken. Het AHL-molecuul ziet er bij harveyi net wat
anders uit dan bij fischeri. Inmiddels zijn bij tientallen bacteriesoorten de AHL-dialecten
beschreven, waarbij telkens de ‘staart’, het acyl-gedeelte, van het AHL-molecuul een
andere vorm aanneemt. De bodembacterie Pseudomonas aeruginosa maakt zelfs
gebruik van twee verschillende AHL-signalen.
140
Figuur 2 AHL-structuur bij Vibrio fischeri,V. harveyi en Pseudomonas aeruginosa. Rechts (zwart)
is het serinelacton-gedeelte, links (rood) is het soortspecifieke acylgedeelte waarmee elke
bacterie zijn soortgenoten herkent.
150
160
Bassler ontdekt nieuwe bacterietaal
Om te ontdekken welke taal het tweede systeem spreekt zette Bassler een zoektocht op
touw naar het verantwoordelijke signaalmolecuul. Het was niet te vinden, het was geen
AHL. Toen kwam ze op het briljante idee om te kijken naar de receptor die het
autoinducer-signaal oppikt. Net zoals de prins het glazen schoentje gebruikte om
Assepoester op te sporen, zo liet Bassler de receptor, het luxP-eiwit, als het schoentje
door een kristallograaf met röntgenstralen onderzoeken in de hoop haar geliefde
autoinducer daarin aan te treffen. En dat lukte – in het beeld van luxP zaten 13 atomen
te veel, wat betekende dat ze niet alleen het schoentje, maar ook de draagster had
gevonden. Bizar genoeg bleek het een molecuul waarin boor voorkomt, een element dat
je eerder verwacht in hard glas, borax en vuurwerk (voor de groene kleuren) dan in een
biologisch actieve stof. Basslers team doopte het vreemde molecuul autoinducer-2 (AI2). Het gen dat voor AI-2 codeert, luxS, is inmiddels bij 50 soorten bacteriën
aangetoond en het gaat steeds om hetzelfde molecuul. De bacteriën spreken hier dus
allemaal dezelfde taal, een microbieel Esperanto.
Maar wat heeft het voor zin om de aanwezigheid van andere bacteriën te voelen zonder
ze te herkennen? Met andere woorden: wat heb ik eraan te weten dat er behalve mij in
het bos nog andere dieren zijn maar niet of het wolven zijn of elanden? Bonnie Bassler:
“Het zorgt ervoor dat je weet dat je niet alleen bent. Vervolgens kun je dan gaan kijken
of het vrienden zijn of vijanden. Bacteriën scheiden een hele mix van stoffen uit en we
zijn nu op zoek naar moleculen die als signaal kunnen worden herkend.”
170
a
b
Figuur 3 a) Het autoinducer-2 molecuul (AI-2) en b) AI-2 in het LuxP-receptoreiwit
180
190
200
Waarom geeft een bacterie licht?
Wat voor zin heeft het om licht te produceren in zee? Vissen doen het om prooien te lokken, de
eencellige dinoflagellaat (de ‘zeevonk’) doet het als hij opgeschrikt wordt door een predator en
informeert zo met een lichtflits de vijand van zijn predator dat er iets te halen is. De prooien (en
vijanden) van de ’s nachts jagende pijlinktvis Euprymna scolopes zien hem niet aankomen omdat
de lichtorgaantjes in zijn buik de sterrenhemel boven hem nabootsen. 90% van alle
diepzeeorganismen maken gebruik van bioluminescentie. En de meeste doen dat in
samenwerking met Vibrio-soorten.
Maar wat heeft één enkele bacterie er aan om licht te geven? Waarschijnlijk niets. Graham
Timmins van de University of Wales in Cardiff denkt dat een oervorm van bioluminescentie is
ontstaan als een primitieve bescherming tegen het giftige zuurstof dat langzaam de atmosfeer
begon te ‘vervuilen’, zo’n 3½ miljard jaar geleden, als gevolg van fotosyntheseprocessen. Tijdens
het onschadelijk maken van zuurstof kwamen, toevallig, fotonen vrij. Door het toenemen van de
zuurstofconcentraties begonnen de bacteriën zoveel licht te geven dat primitieve lichtsensoren
dat konden waarnemen. Vanaf dat moment waren de lichtgevende eigenschappen onderworpen
aan natuurlijke selectie, los van hun oorspronkelijke functie als zuurstofopruimer, en kon
bioluminescentie in allerlei vormen evolueren.
Het beste bewijs dat bacteriën met elkaar communiceren is wellicht dat geen enkele bacterie licht
geeft als hij in z’n eentje is. Ze doen het alleen als ze op een kluitje zitten. Vrij rondzwemmend
zitten er hooguit 100 in één milliliter zeewater en geven ze geen licht. Wanneer hun aantal is
opgelopen tot 1010 tot 1011 cellen per milliliter, zoals in het lichtorgaan van een vis of inktvis, dan
gaat het licht aan. Hun gastheren beschermen en vertroetelen de bacterie en kunnen de
lichtopbrengst variëren door de toevoer van voedingsstoffen en zuurstof te regelen.
210
220
230
Biofilms
Quorum sensing speelt niet alleen een rol bij de bioluminescentie, maar tal van
bacteriën zijn als wolven in schaapskleren die hun vermomming afwerpen wanneer ze
met quorum sensing hebben vastgesteld dat ze niet alleen zijn. Zo leidt Pseudomonas
aeruginosa een onschuldig bestaan in meren, in bodems en in planten. Maar de bacterie
wordt ook vaak gevonden in de luchtwegen van mensen die lijden aan cystische fibrose,
de taaislijmziekte, en veroorzaakt allerlei nare infecties bij mensen met een verzwakt
immuunsysteem. Om zich in de luchtwegen te vestigen maakt de bacterie gebruik van
quorum sensing waarmee een indrukwekkend arsenaal aan virulentiefactoren in stelling
wordt gebracht. Deze virulentiefactoren, die de gastheer ziek maken, maken dat de
bacterie overgaat van een vrijlevende eencellige in een complex meercellig organisme,
een slijmerige biofilm die ondoordringbaar is voor afweercellen en antibiotica. Twee
verschillende AHL-autoinducer-receptorparen schakelen tientallen genen aan die zorgen
voor de vorming van alginaat, hechtdraden en lipopolysacchariden waaruit zo’n biofilm
is opgebouwd. Bovendien gaan de bacteriën proteases, hemolysines en toxines
uitscheiden die het omringende weefsel afbreken, rode bloedcellen vernietigen en de
gastheer hoge koorts bezorgen.
Zodra een bacteriekolonie een nieuw meercellig wezen is geworden, kan het een
bouwsteen worden van een nog complexere levensgemeenschap, zoals tandplak. In
tegenstelling tot Pseudomonas aeruginosa, die in zijn eentje een biofilm vormt, bestaat
tandplak uit een samenwerking van wel 500 verschillende micro-organismen die in
harmonie met de gastheer leeft. De structuur is te vergelijken met een grote stad met
ondergrondse waterleidingen, verkeersaders, energiedistributie en
communicatiekanalen.
Met Bonnie Bassler als voortrekker hebben microbiële ecologen in de afgelopen tien jaar
vastgesteld dat communicatie tussen micro-organismen eerder regel is dan
uitzondering. Vijf tot 25% van de genen bij alle in kaart gebrachte bacteriegenomen
staan onder controle van quorum sensing netwerken.
240
Hackers in de microwereld
Biofilms waarin zoveel communicatie plaatsvindt zijn natuurlijk een lustoord voor
hackers die de signalen wegvangen om er zelf beter van de worden. In 2000 werd een
bacterie uit de bodem geïsoleerd die uitsluitend leeft van alle mogelijke AHL-moleculen.
De bacterie, Variovorax paradoxus, splitst de acylgroepen van het AHL-molecuul af en
gebruikt die voor zijn stofwisseling. De rest, het homeserinelacton-gedeelte, scheidt hij
uit. V. paradoxus heeft dus waarschijnlijk een grote invloed op de quorum sensing bij
de andere soorten waar hij tussen leeft.
250
260
Zeesla is een wereldwijd voorkomend zeewier dat groeit op alle mogelijke vaste
substraten als rotsen, meerpalen, schelpdieren en scheepshuiden. De aangroei van
zeesla en andere organismen zorgt bij schepen voor een enorme weerstand en kost de
rederijen handenvol geld aan extra stookkosten. Ian Joint van het Plymouth Marine
Laboratory ontdekte dat de zoösporen van zeesla, die als plankton in het water actief
op zoek gaan naar een vaste ondergrond de voorkeur hebben voor substraten waarop
zich een bacteriefilm bevindt. Al snel kwam hij erachter dat de zoösporen de
bacteriecommunicatie afluisteren, want ze kwamen af op E.coli-bacteriën met een
intacte AHL-expressie en niet op defecte mutanten. Zeesla maakt dus handig gebruik
van de bacteriële quorum sensing signalen om effectief een vestigingsplaats te vinden –
een kale meerpaal praat immers niet.
Nieuwe wapens in de strijd tegen bacterieziekten
Als communicatie zo’n belangrijke rol speelt in de microwereld van de bacteriën dan
moet het mogelijk zijn roet in het eten te gooien. Het zou natuurlijk prachtig zijn als je
een stof door de tandpasta kunt mengen die quorum sensing bij schadelijke
tandplakbacteriën verstoort en zo tandvleesontstekingen voorkomt. Richard Lamont van
270
280
290
de University of Washington in Seattle: “Dat is wel ons uiteindelijke doel. Als je gebit
compleet is gereinigd door een mondhygiënist dan vormen de eerste kolonisten zoals
Streptococcus al binnen een paar uur een nieuwe biofilm. De ziekteverwekkers zijn de
anaërobe laatkomers, die de zuurstofarme omstandigheden in de biofilm nodig hebben
om zich te vestigen. Als we de communicatie bij deze bacteriën kunnen verstoren, dan
zou dat een stap in de goede richting zijn. Maar het zal nog wel even duren voordat er
tandpasta komt die dat doet omdat we nog maar heel weinig weten van de interacties
tussen alle bewoners van de tandplakgemeenschap. We willen de bescherming die een
gezonde tandplak biedt natuurlijk niet om zeep helpen met een paardenmiddel.”
Een kwart van alle ziekenhuisinfecties wordt veroorzaakt door Staphylococcus aureus,
voornamelijk via katheters, protheses en implantaten zoals hartkleppen. Omdat S.
aureus steeds resistenter wordt tegen alle bekende antibiotica wordt naar alternatieven
gezocht. Een effectief middel blijkt het RnaIII Inhibiting Peptide (RIP). Het coaten van
implantaten met RIP verhindert kolonisatie door S. aureus-bacteriën en de vorming van
biofilms die uiteindelijk dodelijk kunnen zijn. Gram-positieve bacteriën als S. aureus
blijken hun soortspecifieke quorum sensing te baseren op kleine peptiden. RIP blokkeert
het receptor-eiwit dat quorum sensingpeptiden herkent en laat de bacteriën in de waan
dat er geen quorum is om tot de aanval over te gaan.
In Australië is een zeewier gevonden dat stoffen bevat, furanonen, die bacteriegroei
remmen door hun communicatie af te snijden. Omdat furanonen de bacteriën niet
doden is er geen nadeel voor de individuele cellen, maar alleen voor de populatie als
geheel. En omdat natuurlijke selectie op individuen werkt, en niet op populaties, is er
weinig kans dat zich resistentie ontwikkelt tegen op furanon gebaseerde medicijnen.
Bassler: “Er zijn veel mensen bezig met het maken van anti-quorum sensingmedicijnen
die de communicatielijnen in de war schoppen. Dat is ook een van de doelen van ons
onderzoek. Maar het zal nog wel even duren voordat het zover is.”
300
Inzicht in evolutie
Bassler: “Je moet je voorstellen wat het voor een bacterie die alleen leeft betekent om
over te stappen naar het leven in een groep. Dat is een enorme, alles-ofnietsbeslissing. De omschakeling van de ene naar de andere lifestyle is een proces
waarbij honderden genen betrokken zijn. Het idee dat bacteriën multicellulaire
organismen zijn leert ons iets over hoe hogere organismen zijn ontstaan. De vragen die
we nu onderzoeken reiken veel verder dan alleen maar bacteriën. Ik denk dat we de
mechanismen op het spoor zijn die hebben geleid tot de evolutie van hogere
organismen.”