Als groene algen van de soort Chlamydomonas reinhardtii Pseudomonas protegens-bacteriën ontmoeten, hun lot is bezegeld. De bacteriën, slechts twee micrometer meten, omringen de algen, die ongeveer vijf keer groter zijn, en val ze aan met een dodelijke giftige cocktail. De algen verliezen hun flagellen, waardoor ze onbeweeglijk worden. De groene eencellige organismen raken dan vervormd en kunnen zich niet meer voortplanten. Het chemische mechanisme dat aan deze uiterst effectieve aanval ten grondslag ligt, is nu ontdekt door botanici en natuurlijke productchemici aan de Friedrich Schiller University, Jena (FSU) en het Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology – Hans Knöll Institute (HKI).

Het is een gruwelijk schouwspel dat Prasad Aiyar in de ogen kijkt terwijl hij door de microscoop kijkt. De promovendus uit India, die naar Jena kwam om zijn master in Molecular Life Sciences te doen, onderzoekt de soort Chlamydomonas reinhardtii op een microscoopglaasje. De ovale microalgen, een goede 10 micrometer groot, hebben twee flagellen waarmee ze druk rondzwemmen - dat wil zeggen, totdat Prasad Aiyar een pipet gebruikt om een ​​druppel van een bacteriële oplossing toe te voegen. De nog kleinere bacteriën verzamelen zich in zwermen, die de algen omringen. Slechts 90 seconden later, de algen zijn onbeweeglijk en als je beter kijkt, men kan zien dat hun flagellen eraf zijn gevallen.

De Jena-onderzoekers hebben ontdekt waarom deze bacteriën zo'n verwoestend effect hebben op de groene algen. Het lijkt erop dat een chemische stof een centrale rol speelt in het proces, als de teams onder Prof. Maria Mittag en Dr Severin Sasso van de FSU, en Prof. Christian Hertweck van het Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology – Hans Knöll Institute (HKI) – rapporteren in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Orfamide A, zoals de stof wordt genoemd, is een cyclisch lipopeptide dat de bacteriën afgeven, samen met andere chemische verbindingen. "Onze resultaten geven aan dat orfamide A kanalen in het celmembraan beïnvloedt, wat leidt tot het openen van deze kanalen, " legt Dr. Severin Sasso uit. "Dit leidt tot een instroom van calciumionen uit de omgeving naar het celinterieur van de algen, ", voegt het hoofd van de onderzoeksgroep Moleculaire Plantkunde eraan toe. Een snelle verandering in de concentratie van calciumionen is een veelvoorkomend alarmsignaal voor veel celtypen, die een groot aantal metabole routes reguleert. "Om de verandering in het calciumgehalte in de cel te kunnen observeren, we introduceerden het gen voor een fotoproteïne in de groene algen, die bioluminescentie veroorzaakt als het calciumgehalte stijgt. Hierdoor kunnen we de hoeveelheid calcium meten met behulp van de luminescentie, " legt prof. Mittag uit, Hoogleraar Algemene Plantkunde. In sommige gevallen, de veranderingen in het calcium leiden tot veranderingen in de bewegingsrichting, bijvoorbeeld na lichtperceptie. In andere gevallen, bijvoorbeeld na de bacteriële aanval, ze veroorzaken het verlies van de flagella.

Onderzoek naar de "chemische taal"

In aanvulling, de teams konden aantonen dat de bacteriën de algen kunnen aanboren en ze als voedingsbron kunnen gebruiken als ze een tekort aan voedingsstoffen hebben. "We hebben bewijs dat andere stoffen uit de giftige cocktail die door de bacteriën vrijkomt, hier ook een rol in spelen, " zegt Maria Mittag. Haar team, wederom in samenwerking met de teams van Prof. Hertweck en Dr. Sasso, wil nu ook deze stoffen opsporen, om deze chemische communicatie tussen algen en bacteriën nauwkeurig te begrijpen.

Talloze onderzoeksgroepen hebben hun inspanningen gewijd aan het bestuderen van de "chemische taal" tussen micro-organismen en hun omgeving als onderdeel van het Collaborative Research Centre "ChemBioSys". Microbiële soortengemeenschappen komen voor in vrijwel elke habitat op aarde. "In deze gemeenschappen zowel de soortensamenstelling als de onderlinge relaties tussen individuele organismen van een of meer soorten worden gereguleerd door chemische mediatoren, " zegt prof. Hertweck, die de spreker is van het Collaborative Research Centre en hoofd van de afdeling Biomoleculaire Chemie van het HKI.

Het doel van het interdisciplinaire onderzoekspartnerschap is het verklaren van de fundamentele controlemechanismen in complexe biosystemen, die het hele leven op aarde beïnvloeden. "We willen de mechanismen begrijpen waardoor de microbiële gemeenschapsstructuren worden gevormd en hun diversiteit behouden." Zij zijn belangrijk, omdat de essentie van het leven – niet in de laatste plaats voor mensen – ervan afhankelijk is, bijvoorbeeld voedsel of lucht.

Dit geldt ook voor microalgen zoals Chlamydomonas reinhardtii. Dergelijke fotosynthetische micro-organismen (fytoplankton) leveren een bijdrage van ongeveer 50 procent aan het vastleggen van het broeikasgas koolstofdioxide en, als bijproduct van fotosynthese, ze leveren de zuurstof die essentieel is voor ons voortbestaan. In aanvulling, microalgen, die in zoet water voorkomen, natte bodems of de zeeën en oceanen van de wereld, vormen een belangrijke basis voor voedselketens, vooral in aquatische systemen. Bijvoorbeeld, zoöplankton in de oceanen voedt zich met de algen en samen leveren ze voedsel voor schaaldieren, die op hun beurt worden gegeten door vissen, voordat deze door grotere vissen worden gegeten of door mensen worden gevangen. "Gezien het enorme belang van microalgen voor het menselijk leven, we weten nog steeds verbazingwekkend weinig over de fundamentele elementen en de interacties in hun microscopische wereld, " zegt prof. Mittag.