Bij mensen en dieren zijn catecholamines zoals epinefrine, norepinefrine en dopamine veel voorkomende stresshormonen. Stress kan de gevoeligheid van het lichaam voor bacteriële infecties vergroten. In het laboratorium stimuleren stresshormonen de groei van verschillende ziekteverwekkers. Dit was al waargenomen bij Salmonella (Salmonella enterica serovar Typhimurium) en andere darmbacteriën, Escherichia coli en de veroorzaker van cholera, Vibrio cholerae. Bovendien maken epinefrine en norepinefrine het voor bacteriën gemakkelijker om lichaamscellen te infecteren. En deze hormonen beïnvloeden ook de biosynthese van virulentiefactoren, waardoor ziekteverwekkers zich kunnen hechten aan cellen, deze kunnen binnendringen en vernietigen.

"We vermoedden daarom dat sommige bacteriën dergelijke hormonen gebruiken als signalen om de eukaryote gastheeromgeving te herkennen", zegt LMU-microbioloog professor Kirsten Jung. "Maar de moleculaire basis was niet bekend." Samen met professor Stephan A. Sieber van de Technische Universiteit van München (TUM) en andere onderzoekers heeft Jung nu de bindingsplaats van epinefrine en het epinefrinederivaat fenylefrine in de bacterie Vibrio campbellii geïdentificeerd. Zoals het team meldt in PNAS , het doelwit van beide moleculen is het eiwit CheW. "De biologische betekenis van het mechanisme is dat bacteriën bijvoorbeeld herkennen dat ze niet meer in zeewater zitten, maar in de darm van een gastheer", legt Jung uit.

Studies met het modelorganisme V. campbellii

"We wilden weten hoe bacteriën catecholamines herkennen als signaalmoleculen", zegt de LMU-wetenschapper. "Welke receptoren regelen dit proces?" Haar experimenten bestonden uit verschillende afzonderlijke stappen.

Voor het onderzoek ontwikkelde Sieber een methode om epinefrine en fenylefrine chemisch te modificeren, zodat de onderzoekers complexen direct konden isoleren van de catecholamines en de gebonden bacteriële eiwitten. Voorwaarde van de experimenten was dat de nieuwe verbindingen geen biologische eigenschappen zouden hebben die de ongewijzigde moleculen niet hadden. De groep van Jung deed laboratoriumexperimenten om aan te tonen dat dit zo was. Epinefrine bindt ijzer, terwijl het epinefrinederivaat fenylefrine dat niet doet. Met hun keuze van verbindingen wilden de onderzoekers effecten uitsluiten die ontstaan ​​wanneer de bacteriën een betere aanvoer van ijzer hebben.

Jung en Sieber werkten met Vibrio campbellii als modelorganisme. De mariene bacterie infecteert vissen, garnalen, inktvissen en vele andere ongewervelde zeedieren. Ze voegden Vibrio campbellii toe aan de chemisch gemodificeerde catecholamines en lyseerden de cellen. Vervolgens extraheren ze uit het lysaat alle eiwitten waaraan een molecuul was gebonden en karakteriseerden ze met behulp van proteoomanalyse. Dit resulteerde in een bijzondere verrijking van het oplosbare chemotaxis-eiwit CheW.

Vervolgens isoleerde de groep van Jung het CheW-eiwit rechtstreeks uit bacteriën, zuiverde het en mat de bindingsaffiniteit voor catecholamines. Daarbij ontdekten de onderzoekers iets verrassends:de hormonen binden zich niet aan de chemoreceptoren zelf, zoals oorspronkelijk verwacht, maar aan het koppelingseiwit CheW, dat zich tussen receptoren en een signaaltransductiecascade bevindt. Dit hele stimulusperceptiesysteem regelt de beweging van de bacterie in een chemische gradiënt.

"Onze studie biedt nieuwe inzichten in de communicatie van bacteriën met hun gastheer", vat Jung samen. "We konden aantonen dat het zwemgedrag van bacteriën wordt gewijzigd door gastheerhormonen, die worden gecontroleerd door CheW." Motiliteit, en in het bijzonder gerichte motiliteit, is van doorslaggevend belang voor gastheerkolonisatie, aangezien bacteriën opzettelijk een organisme proberen te koloniseren en alle niches veroveren. In de volgende stap wil Jung nu uitzoeken of hetzelfde mechanisme bij andere bacteriën kan worden aangetoond.