University of Groningen Osmotic regulation of transport processes in

University of Groningen
Osmotic regulation of transport processes in Lactobacillus plantarum
Glaasker, Erwin
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
1998
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Glaasker, E. (1998). Osmotic regulation of transport processes in Lactobacillus plantarum s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting
SAMENVATTING
1. Achtergrondinformatie voor niet-biologen
Bacteriën zijn eencellige organismen die vanwege hun relatief eenvoudige
opbouw gemakkelijk zijn te bestuderen. Een bacteriële cel bestaat uit een enkel
compartiment dat is afgescheiden van de omgeving door middel van een
membraan met daaromheen een celwand. In de cel bevinden zich alle
bouwstenen die de cel nodig heeft om in leven te blijven, zoals enzymen en
nucleïnezuren (DNA en RNA), maar ook voedingsstoffen die de cel gebruikt
om nieuwe bouwstenen te maken. De meeste stoffen kunnen de membraan niet
zonder meer passeren, maar water kan vrij over de membraan bewegen. Voor
het opnemen van (voedings)stoffen uit de omgeving en voor het uitscheiden van
afvalstoffen beschikt de cel over speciale eiwitten in de membraan die er voor
zorgen dat bepaalde stoffen deze barrière toch kunnen passeren. Deze eiwitten
worden ook wel transporteiwitten genoemd. De membraan is een elastisch en
dus soepel omhulsel. Om de cel van enige stevigheid te voorzien zit er om de
membraan een stevige celwand. De meeste stoffen kunnen zonder veel
problemen de celwand passeren.
Normaal gesproken is de concentratie van stoffen in de cel veel hoger dan die in
de omgeving. Met andere woorden, de osmolariteit in de cel is hoger dan die
van de omgeving. Een hogere osmolariteit betekent dat er relatief minder water
aanwezig is, waardoor water van buiten naar binnen wordt gezogen. Hierdoor
zal de cel opzwellen en zal de elastische membraan tegen de stevige celwand
aandrukken. Deze druk noemen we de turgordruk van de cel. De turgordruk is
essentieel voor het delen van een cel en dus voor de groei van bacteriën.
Uiteindelijk zal er een evenwicht ontstaan tussen de turgordruk (die het
binnenkomen van meer water tegenwerkt) en het verschil in de hoeveelheid
water binnen en buiten de cel.
Wanneer de hoeveelheid opgeloste stoffen in de cel constant blijft, dan zullen
veranderingen in de osmolariteit van de omgeving de turgordruk beïnvloeden.
Meer opgeloste stoffen in de omgeving betekent relatief minder water in de
omgeving en dit resulteert in hyper-osmotische stress. Hierdoor zal water
vanuit de cel naar de omgeving gaan. Dit is echter schadelijk voor de cel, want
dit resulteert in een verlaging van de turgordruk, een verkleining van het volume
van de cel en uitdroging. De cellen proberen het waterverlies tegen te gaan door
grote hoeveelheden van bepaalde stoffen (“compatible solutes”) op te nemen,
waardoor het verschil in de hoeveelheid opgeloste stoffen tussen de binnen- en
de buitenkant kleiner wordt. Voor deze opname zijn specifieke transporteiwitten
135
in de membraan van de cel verantwoordelijk. Aan de andere kant zal een
verlaging van de hoeveelheid opgeloste stoffen in de omgeving (hypoosmotische stress) een instroom van water in de cel veroorzaken, waardoor de
turgordruk toeneemt en het gevaar bestaat dat de cel knapt. De cellen reageren
op hypo-osmotische stress door razendsnel allerlei opgeloste stoffen
(voornamelijk “compatible solutes”) uit te scheiden via transporteiwitten in de
membraan. Het is van belang om te weten hoe bacteriën de beide vormen van
osmotische stress kunnen “voelen” en hoe vervolgens het stress-signaal wordt
omgezet in een veranderde activiteit van de transporteiwitten.
2. De inhoud van dit proefschrift in een notendop
In dit proefschrift staat beschreven hoe de melkzuurbacterie Lactobacillus
plantarum reageert op hyper- en hypo-osmotische stress. Dit onderzoek is van
biotechnologisch belang, omdat hoge osmolariteit (veel opgeloste stoffen, zoals
zouten of suikers) vaak wordt toegepast om voedingsmiddelen te conserveren.
Van de melkzuurbacterie Lactobacillus plantarum is bekend dat deze
regelmatig verantwoordelijk is voor het bederven van voedingsmiddelen.
Unilever Research Laboratoria was bereid om een onderzoek te financieren naar
de mechanismen waarmee deze bacterie zich aanpast aan osmotische stress. De
eerste reactie van Lactobacillus plantarum op wisselende concentraties
opgeloste stoffen in de omgeving betreft een toename van de activiteit van de
verschillende transporteiwitten in de membraan. Dit promotieonderzoek heeft
zich voornamelijk gericht op de regulatie van deze transporteiwitten.
De belangrijkste verbinding (“compatible solute”) die door Lactobacillus
plantarum onder hyper-osmotische stress-condities (veel opgeloste stoffen in de
omgeving) wordt opgenomen heet glycine-betaïne. Deze verbinding zorgt
ervoor dat de groei van de cellen onder hyper-osmotische condities wordt
gestimuleerd en is van groot belang voor het overleven van osmotische stress.
Vandaar dat de regulatie van de opname en uitscheiding van glycine-betaïne als
reactie op osmotische stress is onderzocht. De regulatie van de glycine-betaïne
opname door hyper-osmotische stress vindt vooral plaats door veranderingen in
het transporteiwit zelf (het eiwit wordt geactiveerd) en niet door het aanmaken
van meer transporteiwitten. Het blijkt dat het glycine-betaïne opname-eiwit
langer in de geactiveerde toestand blijft naarmate de toename in osmolariteit
groter is.
Wanneer de osmolariteit van de omgeving wordt verhoogd door toevoegen van
suikers in plaats van zouten, wordt het verschil in hoeveelheid opgeloste stoffen
aan de binnen- en buitenkant van de cellen tegengegaan door de opname van de
toegevoegde suiker zelf. Hier zijn ook bepaalde transporteiwitten voor
verantwoordelijk. Deze eiwitten werken alleen bij zeer hoge suikerconcentraties
136
Samenvatting
en zorgen ervoor dat suiker-stress veel minder nadelige gevolgen voor de cel
heeft dan zout-stress.
De strikte regulatie van de transporteiwitten voor de opname en uitscheiding
van glycine-betaïne door veranderingen in de osmolariteit is gericht op het zo
snel mogelijk herstellen van het verstoorde evenwicht tussen de interne en
externe concentraties van opgeloste stoffen. De volgende waarnemingen met
betrekking tot de regulatie van de opname en uitscheiding van glycine-betaïne
zijn gedaan: (i) ook als de osmolariteit van de omgeving niet wordt veranderd,
is er altijd een kleine stroom van glycine-betaïne over de membraan, maar er is
geen echte (netto) opname of uitscheiding van glycine-betaïne (opname en
uitscheiding zijn in evenwicht); (ii) binnen enkele seconden na het aanleggen
van hyper-osmotische stress wordt de opname van glycine-betaïne gestimuleerd
en de uitscheiding geremd; (iii) binnen één seconde na het aanleggen van hypoosmotische stress wordt de opname van glycine-betaïne geremd en wordt
glycine-betaïne razendsnel uitgescheiden. Deze snelle uitscheiding van glycinebetaïne is niet afhankelijk van enige vorm van bruikbare energie in de cel en
wordt geremd door verbindingen die het openen en sluiten van kanaaleiwitten in
de membraan beïnvloeden. Een kanaaleiwit is het best voor te stellen als een
goed gereguleerde porie in de membraan. Na de eerste, snelle uitscheiding door
het kanaaleiwit volgt een tweede, langzamer proces dat wel afhankelijk is van
de energietoestand van de cel. Dit proces is waarschijnlijk het gevolg van de
aanwezigheid van een eiwit waaraan glycine-betaïne bindt en dat daarna deze
stof over de membraan transporteert. Alle transporteiwitten die betrokken zijn
bij de opname en uitscheiding van glycine-betaïne, kunnen dus veranderingen in
osmolariteit “voelen” en dit signaal razendsnel omzetten in een veranderde
activiteit van het eiwit.
De uitscheiding van glycine-betaïne wordt niet alleen veroorzaakt door het
aanleggen van een hypo-osmotische stress, maar kan ook worden
bewerkstelligd door het toevoegen van bepaalde drugs. De drugs veranderen de
spanning in de membraan, net zoals hypo-osmotische stress dat doet. Het
kanaaleiwit reageert waarschijnlijk op veranderingen in de membraanspanning.
De drugs beïnvloeden de opname van glycine-betaïne niet. Het mechanisme dat
de opname reguleert, is dus duidelijk verschillend van het mechanisme dat
verantwoordelijk is voor de uitscheiding. Het kanaaleiwit voelt
membraanspanning, terwijl het opname-eiwit reageert op de druk die op de
membraan staat, bijvoorbeeld door een veranderende koppeling met de celwand.
Bovendien wordt het opname-eiwit geremd door de hoeveelheid glycine-betaïne
die in de cel aanwezig is, waardoor een ongelimiteerde opname van deze stof
wordt voorkomen. Hyper-osmotische stress vermindert de mate van deze
137
remming, waardoor er in stress-situaties extra glycine-betaïne kan worden
opgenomen.
Er zijn mutanten van de melkzuurbacterie Lactobacillus plantarum geïsoleerd
die nauwelijks meer in staat zijn om glycine-betaïne op te nemen. Deze
mutanten zijn nog wel in staat om de opname van glycine-betaïne te verhogen
als er een hyper-osmotische stress wordt aangelegd. Door bestudering van de
mutanten is vastgesteld dat voor opname en uitscheiding van glycine-betaïne
verschillende transporteiwitten verantwoordelijk zijn. Bovendien is vastgesteld
dat het glycine-betaïne opname-eiwit ook vele andere “compatible solutes” kan
transporteren.
3. En nu even praktisch…….
Het geven van een hyper-osmotische stress wordt vooral toegepast bij het
conserveren van voedingsmiddelen. Het toevoegen van veel zout of suiker of
het drogen van de producten beschermt deze tegen aantasting door bacteriën. De
bacteriën die verantwoordelijk zijn voor het bederf, kunnen zich snel aanpassen
aan de verhoogde osmolariteit in de aanwezigheid van twee stoffen: glycinebetaïne en carnitine. Glycine-betaïne komt veel voor in voedingsmiddelen van
plantaardige oorsprong, terwijl carnitine juist voorkomt in vleesproducten. Voor
het ontwikkelen van een optimale strategie om bederf zo lang mogelijk uit te
stellen, is het van belang om te weten hoe bacteriën deze stoffen opnemen uit de
voedingsmiddelen (het onderwerp van dit proefschrift). Door het combineren
van twee of meer verschillende stress-situaties, bijvoorbeeld verhitting, het
toevoegen van conserveringsmiddelen en/of veel zout of suiker, kan de groei
van bederf-organismen en ziekteverwekkers beter worden tegengegaan. Helaas
kan het toepassen van de ene stress er niet alleen toe leiden dat de bacteriën zich
aanpassen aan deze stress-situatie, maar ook dat ze beter bestand worden tegen
andere vormen van stress. Dit aspect zal in de toekomst verder onderzocht
moeten worden.
Op dit moment is er een grote belangstelling voor veilige en gezonde
voedingsmiddelen met een verbeterde smaak. Daarom wordt naar alternatieven
gezocht voor relatief “harde” conserveringsmethoden, zoals hitte-sterilisatie.
Naast het toevoegen van zouten of suikers (osmotische stress) kan conservering
door een hogedrukbehandeling een goed alternatief zijn. De opname van stoffen
zoals glycine-betaïne en carnitine is vermoedelijk ook van belang voor de
aanpassing van bacteriën aan hoge druk. Informatie over de wijze waarop de
opname van deze stoffen wordt geremd door het toepassen van hoge druk kan
dan ook worden gebruikt om meer inzicht te krijgen in de mogelijkheden van
deze techniek.
138