Zelfde genen, zelfde omstandigheden en toch ander transportmechanisme

Kort & bondig

De bacterie Lactococcus lactis kan het aminozuur methionine niet zelf maken en moet het dus opnemen uit de omgeving. RUG-wetenschappers hebben ontdekt dat cellen die genetisch identiek zijn en groeien bij dezelfde lage concentratie methionine twee verschillende systemen gebruiken om dit aminozuur op te nemen, met hoge of lage affiniteit. Individuele cellen kiezen nogal traag voor een van beide routes, maar als die keuze eenmaal is gemaakt blijven de cellen daar minstens tien generaties aan vasthouden. Door gebruik te maken van twee verschillende opties kunnen de cellen beter inspelen op zowel een toename als een afname van methionine in de omgeving. Het is de eerste keer dat wetenschappers zo’n stabiele maar verschillende keuze voor een transportmechanisme hebben gezien in volledig identieke cellen.

De bacterie Lactococcus lactis, belangrijk in de zuivelindustrie, kan het aminozuur methionine niet zelf te maken en moet dit dus opnemen uit de omgeving. Daarvoor heeft de bacterie twee verschillende systemen, met een hoge of een lage affiniteit. Microbiologen van de RUG ontdekten dat cellen die genetisch identiek zijn verschillen in het systeem dat ze gebruiken. Als ze een systeem gekozen hebben, blijven ze dat bovendien generaties lang doen. Het is de eerste keer dat er zo’n stabiele maar verschillende keuze in de opname van aminozuren is beschreven. De resultaten zijn op 5 maart gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Het is bekend dat bacteriën die genetisch identiek zijn (een zogeheten klonale populatie) toch verschillend gedrag kunnen vertonen. Onder moeilijke omstandigheden gaan sommige cellen in de overlevingsstand door sporen te vormen, terwijl andere cellen dat niet doen. ‘Dat is een vorm van risicospreiding’, legt RUG-hoogleraar Moleculaire Genetica Oscar Kuipers uit. ‘Sporen vormen kost de cellen veel energie, terwijl de omstandigheden misschien snel verbeteren. Of niet dus. Door allebei de routes te kiezen is het zeker dat een deel van de populatie zal overleven.’

Aarzelen

Maar deze strategie is niet eerder gezien bij het transport van aminozuren. Onder leiding van Kuipers heeft promovendus Jhonatan Hernandez-Valdes Lactococcus bacteriën laten groeien in medium met verschillende concentraties methionine. De cellen waren voorzien van een verklikker-gen waardoor ze in fluorescent groen oplichtten als het systeem voor hoog-affiniteit methionine transport actief was. Maar bij een lage methionine concentratie bleken niet alle cellen groen op te lichten.

In eerste instantie dacht Hernandez-Valdes dat de celkweek misschien was vervuild met cellen zonder het verklikker-gen. Maar na controle bleek dat ze het gen allemaal hadden – alleen was het hoog-affiniteit opnamesysteem niet in alle cellen actief. Kuipers: ‘We ontdekten dat de schakelaar die dit systeem aanzet erg traag werkt. Je zou kunnen zeggen dat de cellen aarzelen om op dit systeem over te schakelen.’

Risicospreiding

Verder onderzoek liet zien dat de schakelaar die de opname met hoge affiniteit aanzet een zogeheten T-riboschaklaar is. En dat het blijkbaar niet uitmaakt of de cel voor opnamen van methionine het systeem met hoge of lage affiniteit gebruikt. ‘Het lijkt een kwestie van toeval welke route een cel zal nemen. Maar als die keuze eenmaal is gemaakt, ligt die voor minstens tien generaties vast.’

Met beide systemen groeien de cellen even goed als er weinig methionine aanwezig is. Dus waarom zijn er dan toch twee systemen? Kuipers en zijn collega’s hebben twee mogelijke verklaringen. De eerste is risicospreiding, een bekend fenomeen bij bacteriën, maar ook bij complexere organismen. ‘Niet investeren in het aanzetten van het hoge affiniteit systeem heeft onder natuurlijke omstandigheden wellicht een voordeel.’ Sommige cellen in een populatie gokken er daarom op dat de methionine concentratie wel weer snel zal stijgen, terwijl andere geen risico nemen en het systeem met hoge affiniteit aanzetten, zodat ze zeker zijn dat ze genoeg methionine kunnen opnemen, zelfs als de concentraties heel laag blijven.

De tweede mogelijke verklaring is dat er een soort werkverdeling is: de twee verschillende populaties werken samen, bijvoorbeeld doordat sommige cellen methionine gaan uitscheiden, of doordat ze doodgaan, openbarsten en zo hun aminozuren beschikbaar maken voorandere cellen, aldus Kuipers. Maar dit scenario is erg speculatief.

Overleven

‘We weten dat het maken van verschillende keuzes nuttig is voor bacteriën’, vertelt hij. In een gram aarde kunnen honderden soorten bacteriën leven, die allemaal vechten om te overleven. ‘Door jezelf in twee verschillende groepen op te splitsen kun je beter anticiperen op veranderingen in de omgeving. Dat is altijd een slimme strategie.’

Referentie: Jhonatan A. Hernandez-Valdes, Jordi van Gestel, Oscar P. Kuipers: A riboswitch gives rise to multi-generational phenotypic heterogeneity in an auxotrophic bacterium. Nature Communications, 5 maart 2020.