Bacteriën kunnen bepalen waar ze heen gaan met behulp van een signaalnetwerk van eiwitmoleculen. Wetenschappers van AMOLF hebben een microscopiemethode ontwikkeld waarmee ze kunnen zien hoe individuele bacteriën dit netwerk gebruiken om beslissingen te nemen. Ze ontdekten dat bacteriën verrassend divers zijn in persoonlijkheid en stemming. Het team publiceerde zijn bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift eLife op 12 dec. 2017.

bacteriën, eencellige organismen zijn, geen zenuwstelsel hebben, maar kunnen hun bewegingen controleren met behulp van een netwerk van eiwitmoleculen die op een speciale manier op elkaar inwerken, net als de zenuwcelcircuits in onze hersenen. "Bijvoorbeeld E.coli, een ongevaarlijke bacterie die in onze darmen leeft, 'weet' hoe hij zijn verder rechte zwembeweging moet onderbreken door af en toe te tuimelen waardoor hij in een nieuwe, willekeurige richting, " zegt Tom Shimizu, groepsleider van AMOLF's Systems Biology-groep. "E.coli gebruikt sensoreiwitten om dingen als voedselmoleculen of giftige chemicaliën te detecteren om te beslissen of het leven beter of slechter wordt terwijl het zwemt, en bepaalt hoe vaak het tuimelt om ervoor te zorgen dat het op een goede plek terechtkomt."

Inzoomen op enkele cellen

Voor vele jaren, onderzoekers hebben onderzocht hoe deze moleculaire circuits in bacteriën zoals E.coli reageren op veranderingen in hun omgeving, maar dit was gebaseerd op experimenten waarbij het signaal over honderden cellen moest worden gemiddeld. Johannes Keegstra, een promovendus in de groep van Shimizu, leidde de inspanning om een ​​microscopiemethode te ontwikkelen waarmee onderzoekers kunnen zien hoe het eiwitnetwerk in elke individuele bacterie reageert op veranderingen in de omgeving, bijvoorbeeld, de overvloed aan voedsel.

Persoonlijkheid

De bacteriën die in de experimenten werden gebruikt, hadden exact dezelfde DNA-sequentie (zoals identieke tweelingen) en werden ook onder identieke omstandigheden gekweekt. Hoe dan ook, de onderzoekers ontdekten dat het eiwitnetwerk in elk van hen zich anders gedraagt ​​in dezelfde chemische omgeving. "Elke bacterie lijkt zijn eigen persoonlijkheid te hebben, " zegt Keegstra. "Bijvoorbeeld vonden we dat de chemische concentratie waarop bacteriën reageren, varieert aanzienlijk tussen bacteriën."

Humeur

Afgezien van de duidelijke verschillen in reacties tussen bacteriën (persoonlijkheid), Shimizu en Keegstra zagen ook dat binnen elke bacterie, de moleculaire activiteit kan in de loop van de tijd aanzienlijk veranderen. Ze waren er getuige van dat de manier waarop eiwitmoleculen in bacteriën op elkaar inwerken om beweging te beheersen niet stabiel is, maar varieert voortdurend in de tijd, zelfs in 'stille' omgevingen zonder veranderingen in de hoeveelheid voedsel of gifstoffen. Deze 'humeurigheid' van cellen betekent dat het mechanisme waarmee ze 'beslissen' om rechtdoor te tuimelen of te zwemmen, ontvangt geen constante invoer, maar in plaats daarvan een invoer die willekeurig varieert.

De onderzoekers denken dat deze wisselende moleculaire boodschappen moeten worden veroorzaakt door toevallige gebeurtenissen in de cel. "We denken dat de bacteriële individualiteit die we hebben gevonden niet te wijten is aan de natuur (DNA-sequenties) of opvoeding (kenmerken van de omgeving), maar eerder op willekeurige gebeurtenissen zoals moleculaire botsingen in de enkele cel van de bacterie, een klassiek voorbeeld van wat natuurkundigen 'ruis' noemen, "zegt Shimizu. "Belangrijk, de bacteriën maakten tijdens het experiment geen nieuwe eiwitten aan. Dit betekent dat hoewel verschillen in persoonlijkheid kunnen worden veroorzaakt door verschillen in eiwitniveaus tussen bacteriën, de stemmingswisselingen moesten het gevolg zijn van ruis in hoe deze eiwitten in elke bacterie op elkaar inwerken."

Willekeurig zoeken naar eten

"We waren echt verrast door hoe drastisch hun stemmingswisselingen zijn, " voegt Keegstra toe. "En omdat we weten dat de bacteriën kunnen voorkomen dat deze boodschappermoleculen zo willekeurig op elkaar inwerken, we denken dat ze dit waarschijnlijk met een doel doen."

De onvaste controle van beweging kan voordelig zijn wanneer voedsel schaars is. In dat geval gaat de game minder over het reageren op zintuiglijke signalen (zoals geuren) en meer over het efficiënt verkennen van lege ruimte om zeldzame bronnen te lokaliseren. Temperamentvolle bacteriën zouden er beter aan doen grote gebieden zonder karakter te verkennen, omdat hun humeurigheid helpt voorkomen dat ze terugkeren naar dezelfde plek.

Keegstra:"De aanzienlijke variatie in hoe humeurig de bacteriën zijn, zou kunnen betekenen dat sommige bacteriën fungeren als verkenners die verre gebieden verkennen voor incidentele maar grote winsten, terwijl anderen in de buurt blijven en de lokale hulpbronnen efficiënt exploiteren. Zo'n taakverdeling zou nuttig kunnen zijn voor de bevolking als geheel."

De nieuwe inzichten over geluid in biochemische netwerken creëren biotechnologische kansen, ingenieurs helpen om systemen te bouwen (zoals bacteriën die insuline produceren, bijvoorbeeld) die ofwel robuuster zijn tegen geluid of er optimaal gebruik van maken. De bevindingen over meer constante verschillen (persoonlijkheid) in bacterieel gedrag kunnen ook van invloed zijn op medische strategieën om pathogene bacteriën aan te pakken zonder goede bacteriën te schaden.

De studie bij AMOLF werd mede gepubliceerd in eLife met een tweede papier, 'Meerdere bronnen van langzame activiteitsfluctuaties in een bacterieel chemosensorisch netwerk', door R. Colin en V. Sourjik van het Max-Planck Institute of Terresterial Microbiology.