Bacterie doet aan risicospreiding

Wat gebeurt er wanneer de favoriete suikerbron van een bacterie opraakt? Dan stoppen de cellen een poosje met delen om hun enzymsystemen aan te passen aan een nieuwe energiebron. Zo staat het al zo’n zeventig jaar in de leerboeken microbiologie. Maar de werkelijkheid blijkt toch complexer te zijn. Groningse microbiologen laten dat zien in een artikel dat deze week verscheen in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

RUG-microbioloog Oscar Kuipers kijkt doorgaans al vrolijk, en nu is zijn lach nog breder dan anders. Geavanceerde microscopische technieken hebben zijn promovendus Ana Solopova nieuwe inzichten opgeleverd over de ‘lag phase’, de rustpauze waarin bacteriën overschakelen op een nieuwe bron van suikers.

‘Die rustfase is zeventig jaar geleden beschreven door Jacques Monod’, vertelt Kuipers. Wanneer je bacteriën laat groeien op een mengsel van twee verschillende suikers zullen ze eerst één van beide (de voorkeurssuiker) gebruiken als energiebron. Wanneer die eerste suiker opraakt stopt de groei een poosje, zag Monod, om daarna weer op gang te komen. Zijn verklaring was dat de cellen tijd nodig hebben om eiwitsystemen (transporteiwitten en enzymen) te activeren die nodig zijn om de nieuwe suikers op te nemen en te verteren.

‘En dat is inderdaad wat je ziet wanneer je monsters neemt uit een kolf met groeiende bacteriën. Je ziet tijdens de rustfase een toename van de enzymen die nodig zijn om de nieuwe suiker te verwerken’, legt Kuipers uit. De bacteriën bezaten deze eiwitten eerder niet, omdat het te veel energie kost ze te maken en te onderhouden wanneer ze niet nodig zijn. De theorie van ‘enzymatische aanpassing’ die Monod had opgesteld leek zeventig jaar lang stevig te staan.

Maar daar is nu verandering in gekomen. Ana Solopova gebruikte een microscoop waarmee ze individuele cellen kon volgen om te zien wat er precies gebeurt tijdens de rustfase. In een aparte ruimte in de Linnaeusborg toont ze de microscopen, waarmee ze ‘time lapse’ opnamen kan maken. Bovenop de microscopen is een speciale klimaatkamer gebouwd. Daarin bevindt zich een glazen plaatje met een piepkleine ruimte erop waarin bacteriën kunnen groeien, in dit geval Lactococcus lactis. Met behulp van fluorescerende labels kan Solopova onderscheid maken tussen cellen die wel of niet de alternatieve suikerbron (in haar experimenten cellobiose) kunnen verteren.

‘Een camera maakt automatisch iedere paar minuten een opname’, legt zij uit. Het resultaat is een time-lapse film die laat zien hoe individuele bacteriën zich delen. Ze heeft deze opstelling gebruikt om uit te zoeken hoe cellen reageren op de omschakeling van glucose naar cellobiose. En wat ze zag heeft tot een flinke aanpassing van de theorie van Monod geleid.

‘Wie zien dat de bacteriën niet allemaal omschakelen van het ene systeem naar het andere, maar dat een kleine groep bacteriën die cellobiose kan verteren begint uit te groeien en gaat domineren’, legt Kuipers uit. De rest van de cellen gaat in een soort winterslaap – in de filmpjes worden ze zwart en delen niet meer. ‘Vermoedelijk hebben ze niet genoeg energie om de omschakeling naar cellobiose te maken’, zegt Kuipers.

Een tweede observatie van Solopova is dat de reactie van cellen op de nieuwe omstandigheden is te manipuleren. Wanneer bacteriën eerst een tijdje op cellobiose groeien en daarna een poosje op glucose, verloopt de omschakeling terug naar cellobiose sneller. De ´lag phase´ duurt dan korter. Kuipers: ‘In dit geval zijn er nog cellobiose transporteiwitten aanwezig in de celmembraan.’ Wanneer een bacteriecel zich deelt krijgen de beide dochtercellen een deel van de celmembraan van de moedercel, waarin allerlei eiwitten zitten. Cellen die op cellobiose zijn gegroeid hebben daardoor nog cellobiose transporteiwitten in hun membraan zitten.

‘Dit kan interessant zijn voor zuivelbedrijven’, zegt Kuipers. ‘Lactobacillus lactis wordt gebruikt om kaas te maken. Er zijn speciale bedrijven die bacterieculturen maken voor kaasboeren, die daarmee de melk laten stremmen. Ons onderzoek laat zien dat je de bacteriën in die culturen kunt aanpassen aan condities in de kaasfabriek.’ Mede om die reden hebben vier zuivelbedrijven het project gesponsord, samen met de Technologiestichting STW. STW stimuleert de kennisoverdracht tussen technische wetenschappen en het bedrijfsleven door het financieren van gezamenlijke onderzoeksprojecten.

Maar waarom kan de ene bacterie wel cellobiose verteren en de andere niet, terwijl bacteriën zich vermenigvuldigen door celdeling waardoor alle ‘dochters’ dus identiek zouden moeten zijn? ‘Dat is de derde belangrijke observatie in ons onderzoek’, vertelt Kuipers. ‘Cellen die in dezelfde kolf groeien zijn niet allemaal gelijk, hun fenotype kan verschillen.’ Om te verklaren waarom dit zo is, werd de hulp ingeroepen van collega’s van de vakgroep Theoretische Biologie.

Kuipers: ‘Die lieten door simulaties zien dat het zinvol is voor bacteriën om aan risicospreiding te doen wanneer de omstandigheden kunnen wisselen’. Net zoals beleggers dat doen of gokkers op de paardenbaan. ‘Het verkort de tijd die nodig is om je aan nieuwe omstandigheden aan te passen.’ Maar daar zijn kosten aan verbonden. Solopova onderzocht wat er gebeurt wanneer cellen die zijn aangepast aan cellobiose vervolgens moeten omschakelen op galactose als suikerbron. ‘En het blijkt dat ze het heel slecht doen, terwijl cellen die aan glucose zijn aangepast wel goed kunnen groeien op galactose.’

Na deze uitleg dringt de vraag zich op waarom het zeventig jaar moest duren om Monod’s dogma van de enzymatische aanpassing omver te werpen. Kuipers geeft twee redenen: ‘Het idee dat bacteriecellen die in dezelfde kolf groeien onderling verschillen heeft pas sinds een jaar of tien aandacht gekregen. En je hebt apparatuur nodig waarmee je individuele cellen kunt volgen. Wanneer je een monster neemt uit een kolf vol bacteriën en die analyseert, bekijk je het gemiddelde van duizenden cellen.’ De microscopen die zijn groep nu gebruikt zijn pas sinds enkele jaren verkrijgbaar – en er hangt een prijskaartje van enkele tonnen aan.

Maar de investering in een aantal van deze microscopen lijkt een goede belegging te zijn geweest: het onderzoeksveld dat individuele cellen bestudeert groeit en bloeit. ‘Er zijn allerlei interessante fenomenen waarvoor de heterogeniteit van cellen in een populatie van belang is. Het is niet alleen de reactie op een verandering van de suikerbron, heterogeniteit speelt bijvoorbeeld ook ene rol bij het ontstaan van resistentie tegen antibiotica.’ Er zit veel muziek in het bestuderen van individuele bacteriecellen.

Bet-hedging during bacterial diauxic shift ( doi: 10.1073/pnas.1320063111 ) Ana Solopova, Jordi van Gestel, Franz J. Weissing, Herwig Bachmann, Bas Teusink, Jan Kok, and Oscar P. Kuipers