Hoe kan een bacterie de wereld begrijpen?

Bacteriën gebruiken verschillende mechanismen om op de juiste manier te reageren op veranderingen in hun leefomgeving. Een belangrijke factor is het meten van het aantal cellen van de eigen soort die aanwezig zijn (een proces dat ‘quorum sensing’ heet). Maar wetenschappers verschillen met elkaar van mening over de vraag of bacteriën dit inderdaad kunnen meten en of ze geen andere factoren gebruiken om te reageren op verandering. In dit debat hebben onderzoekers van de RUG met experimenten en theoretische modellen aangetoond wat echt meetelt voor een bacterie. De resultaten zijn op 11 oktober gepubliceerd in Nature Communications.

De bacterie Streptococcus pneumoniae (de pneumokok) zit vaak in de keel- en neusholten van ons lichaam en is doorgaans onschadelijk. Maar onder bepaalde omstandigheden kan de bacterie een gevaarlijke infectie zoals longontsteking veroorzaken. Een van de factoren die een onschadelijke gast tot een gevaarlijke infectie kunnen doen uitgroeien is en klein eiwit met de naam ‘Competentie Stimulerend Peptide’ (CSP). Onder bepaalde omstandigheden gaan bacteriën dit CSP aanmaken, waarna het de CSP productie in naburige cellen stimuleert.

Kettingreactie

Deze kettingreactie zorgt voor een toestand die ‘competentie’ heet, waarin de bacterie een beter in staat is om DNA uit de omgeving op te nemen. ‘Competentie stimuleert daardoor de verspreiding van genen, zoals die voor antibioticaresistentie’, zegt evolutionair bioloog Sander van Doorn van de RUG. Hij leidde het onderzoek samen met Jan-Willem Veening, een RUG onderzoeker die inmiddels aan de Universiteit van Lausanne (Zwitserland) verbonden is.

Het proces dat zorgt voor competentie is, tot voor kort, gezien als een typisch voorbeeld van quorum sensing; het zou een manier zijn voor bacteriën om te voelen hoeveel cellen van hun eigen soort aanwezig zijn. Maar de laatste tijd klinken er onder microbiologen geluiden dat competentie niet ontstaat door andere cellen te tellen. Het zou werken als een manier waarmee bacteriën andere informatie over hun leefomgeving kunnen achterhalen, zoals de diffusiesnelheid, de aanwezigheid van antibiotica of de zuurgraad.

Zuurgraad

De teams van Van Doorn en Veening bundelden hun expertise in theoretische modellen en experimenten om de verwarring in het veld te verminderen. ‘We deden experimenten waarin we ofwel het aantal cellen varieerden, de antibioticumconcentratie of de zuurgraad. De resultaten gebruikten we om een wiskundig model te maken’, legt Van Doorn uit.

Een toename in cel dichtheid stimuleerde competentie, maar het variëren van de antibioticumconcentratie of de zuurgraad bleek de drempel-dichtheid voor het ontstaan van competentie te veranderen. ‘Het lukte op die manier zelfs om cellen in hun eentje competent te maken.’ Het model liet zien dat de ontwikkeling van competentie afhing van de geschiedenis van een cel op een bi-stabiele wijze: de zuurgraad van het groeimedium heeft invloed op de hoeveelheid CSP die nodig is om een cel competent te maken. Cellen die in zure omstandigheden groeien hebben daarvoor een boel CSP nodig (dus veel ander bacteriecellen) terwijl cellen onder basische omstandigheden met veel minder CSP al competent worden. Van Doorn: ‘De voorspellingen van dit model zijn bevestigd door experimenten die we vervolgens uitvoerden.’

Gevaarlijk

Het wiskundige model geeft nieuwe inzichten in quorum sensing, zegt Van Doorn. ‘Als je alleen kijkt naar de resultaten van experimenten mis je belangrijke interacties.’ Het model maakt die zichtbaar en vergroot daarmee onze begrip van hoe quorum sensing werkt. ‘Bovendien zijn we er vrij zeker van dat de resultaten die we hebben gekregen voor specifieke moleculaire interacties ook werkzaam zijn voor andere vormen van quorum sensing.’ De conclusie is dan ook dat bacteriën wel besluiten nemen op basis van het tellen van cellen, maar dat het aantal cellen dat een specifieke reactie in gang zet afhangt van andere factoren uit de leefomgeving.

Dit kan een nieuwe manier opleveren om bacteriën te bestrijden. ‘De ontwikkeling van competentie is voor de pneumokok een virulentie-factor, die de bacterie gevaarlijk maakt. Dus als je dit blokkeert kun je infecties voorkomen. En het kan een effectieve manier zijn om de verspreiding antibioticaresistentie te beperken.’ Maar voor Van Doorn en zijn collega’s is het mooiste resultaat toch wel dat ze nu beter begrijpen hoe quorum sensing werkt. ‘Het debat hierover was de laatste tijd een beetje chaotisch en we hebben een deel van de verwarring kunnen wegnemen.’

Referentie
Stefany Moreno-Gámez, Robin A. Sorg, Arnau Domenech, Morten Kjos, Franz J. Weissing, G. Sander van Doorn & Jan-Willem Veening: Quorum sensing integrates environmental cues, cell density and cell history to control bacterial competence. Nature Communications 11 October 2017