Samenwerking is een belangrijk onderdeel van wetenschappelijk onderzoek, waarbij wetenschappers vaak samenkomen om hun inspanningen te bundelen en bij te dragen aan gedeelde wetenschappelijke doelen. Het blijkt dat samenwerking ook een belangrijke eigenschap is onder bacteriën.

Door te communiceren via een chemische taal en te wachten tot ze de juiste aantallen hebben, kunnen bacteriën succesvol zijn in taken die ze op eigen kracht niet hadden kunnen volbrengen.

Voor deze fundamentele ontdekking – een proces dat bekend staat als quorum sensing – werden drie wetenschappers en langdurige medewerkers uitgeroepen tot laureaten van de Canada Gairdner International Award 2023. De prijs werd gedeeld door Bonnie Bassler, hoogleraar Squibb en voorzitter van de afdeling Moleculaire Biologie aan de Universiteit van Princeton; E. Peter Greenberg, Nester hoogleraar microbiologie aan de Universiteit van Washington; en Michael R. Silverman, voormalig adjunct-professor mariene biologie aan het Scripps Institute of Oceanography, die in 2000 met pensioen ging.

De kracht van samenwerking

Het begon allemaal met een obscure bioluminescerende mariene bacterie, bekend als Vibrio fischeri, die een bijzonder unieke eigenschap vertoont:hij licht alleen op als hij zich in een groep bevindt. Dit gedrag werd voor het eerst gekarakteriseerd in de jaren zeventig door wijlen J. Woodland Hastings, een professor aan de Harvard Universiteit, die een signaalstof met onbekende structuur beschreef die verantwoordelijk was voor het gedrag.

“Er was een periode van tien jaar waarin we dachten dat dit gebeurde, maar niemand wist hoe”, zegt Greenberg. “En toen ontdekte een van mijn medeontvangers, Mike Silverman, samen met een van zijn studenten, de genen die verantwoordelijk zijn [voor dit mechanisme].”

“Genetica is een zeer krachtig hulpmiddel”, voegt Silverman toe.

Greenberg, die bij Hastings had getraind, karakteriseerde deze genen verder onafhankelijk. Hij ontdekte ook een soortgelijk chemisch signaal in de pathogene bacterie Pseudomonas aeruginosa. Dit is het moment waarop de term quorum sensing, die deze cel-tot-cel-communicatie beschrijft, werd geboren.

"Wat wij en anderen hebben laten zien is dat bacteriën communiceren met een chemische taal. Ze tellen hun getallen en herkennen wanneer ze de juiste getallen hebben", legt Bassler uit.

Om dit te doen scheiden bacteriën kleine moleculen af die bekend staan als autoinducers. Wanneer een groep bacteriën die groot genoeg is zich heeft verzameld en er voldoende autoinducers zijn uitgescheiden, kunnen de bacteriën dit chemische signaal detecteren en als groep gaan samenwerken.

"Als [bacteriën] allemaal samen iets doen, kunnen ze succesvol zijn in taken die ze niet zouden kunnen volbrengen als ze als individuen zouden handelen. Omdat ze individueel te klein zijn om een verschil te maken", vervolgt Bassler.

Bassler – die ooit als postdoctoraal onderzoeker bij Silverman werkte – bracht deze inzichten naar een nieuw niveau door aan te tonen dat dit fenomeen niet duister is, maar veel voorkomt onder bacteriën.

De onderzoekers ontdekten zelfs dat quorum-sensing-gedrag helemaal niet beperkt is tot bacteriën. Bassler toonde ook aan dat bacteriën dit mechanisme kunnen gebruiken om tussen soorten te communiceren, en dat dit ten grondslag ligt aan bacteriële interacties met virussen.

Een nieuw vakgebied in de microbiologie

Tegenwoordig is quorum-sensing naar voren gekomen als een nieuw vakgebied in de microbiologie. De ontdekkingen van Bassler, Greenberg en Silverman veranderden niet alleen ons begrip van bacteriën en hun interacties met elkaar, maar openden ook de deuren voor het gebruik van cel-tot-celcommunicatie in klinische omgevingen.

Als voorbeeld hiervan hebben Bassler en haar medewerkers quorum-sensing gebruikt om therapieën met kleine moleculen te ontwikkelen, die minder kwetsbaar zijn voor antimicrobiële resistentie dan traditionele antibiotica. Greenberg heeft ook quorum-sensing gebruikt om infecties te bestrijden die verband houden met cystische fibrose.

Over het geheel genomen zijn de laureaten het erover eens dat samenwerking een cruciaal aspect van hun ontdekkingen was. Door samen te werken en voort te bouwen op elkaars ideeën hebben Bassler, Greenberg en Silverman een revolutie teweeggebracht op het gebied van de microbiologie.

“Het is grappig dat de prijs bedoeld is om uit te vinden hoe groepen microben […] samenwerken en gedrag optimaliseren, want dat is wat we in het laboratorium proberen te doen”, zegt Bassler.

“Ik vind dat […] iets magisch aan de prijs.”