grenzen voor jonge geesten

zijn alle bacteriën slecht?

we hebben altijd heel veel bacteriën om ons heen, omdat ze bijna overal leven—in de lucht, de bodem, in verschillende delen van ons lichaam, en zelfs in sommige voedingsmiddelen die we eten, zoals yoghurt, kaas en augurken. Maar maak je geen zorgen! De meeste bacteriën zijn goed voor ons. Sommigen leven in onze spijsvertering en helpen ons ons voedsel te verteren, en sommigen leven in de omgeving en produceren zuurstof zodat we kunnen ademen en leven op aarde. Maar helaas kunnen een paar van deze prachtige wezens ons soms ziek maken. Dit is wanneer we een arts nodig hebben, die geneesmiddelen kan voorschrijven om de infectie onder controle te houden. Maar wat zijn deze medicijnen precies en hoe bestrijden ze bacteriën? Deze geneesmiddelen worden “antibiotica” genoemd, wat “tegen het leven van bacteriën” betekent.”Zoals hun naam ons vertelt, antibiotica ofwel doden bacteriën of stoppen ze te groeien door het stoppen van een specifiek proces van het werken in de bacteriële cel. Als de bacterie stopt met groeien, kunnen onze lichamen de infectie verwijderen en voelen we ons beter.

de ontwikkeling van antibiotica is een van de grootste successen van de moderne geneeskunde. Antibiotica hebben miljoenen levens gered sinds artsen begonnen met behulp van hen in de jaren 1940. antibiotica hebben mensen geholpen om veel beter leven door het succesvol behandelen van bijna alle soorten bacteriële infecties. Maar net als wij zijn bacteriën ook slim! Sinds de jaren veertig ontwikkelen bacteriën tactieken om de effecten van antibiotica te overwinnen, en vandaag zien we steeds meer bacteriën die helemaal niet meer door antibiotica kunnen worden gedood. Deze zijn bekend geworden als antibioticaresistente bacteriën of “superbugs”, en ze zijn een ernstige bedreiging voor de gezondheid van mensen over de hele wereld. Als we geen antibiotica hebben om bacteriële infecties te stoppen, kan zelfs iets simpels als een kleine geïnfecteerde snee in de vinger levensbedreigend worden. Daarom zijn er nieuwe wapens nodig, in de vorm van nieuwe antibiotica, om infecties te behandelen die worden veroorzaakt door antibioticaresistente bacteriën. Om nieuwe antibiotica te vinden, moeten we eerst de werking van de bacteriële cel volledig begrijpen. Ons lab richt zich op het begrijpen van iets heel belangrijks over hoe bacteriën werken—de manier waarop bacteriën twee cellen uit één cel worden, ook wel het proces van bacteriële celdeling genoemd.

de bacteriële manier om twee van één te worden

net als alle soorten organismen moeten alle bacteriën groeien en zich vermenigvuldigen om als soort te overleven. Wanneer er voldoende voedsel beschikbaar is, vermenigvuldigen bacteriën zich snel door te verdubbelen in grootte en dan te splitsen in de helft, om twee nieuwe cellen te creëren . Dit is het proces van “deling” weergegeven in Figuur 1A. bacteriën gebruiken een soort van machines in de cel om dit te doen, die bekend staat als een Z-ring (groene ring in Figuur 1). De Z-ring vormt zich precies in het midden van de cel en wikkelt zich rond de cel. Wanneer de cel deelt, creëert dit twee nieuwe cellen die dezelfde grootte hebben. Tijdens de deling moet alles in de cel worden gekopieerd en gelijkelijk worden gedeeld tussen de twee nieuwe cellen. Dit omvat bacterieel DNA (getoond als bruine vlekken binnen de cel in Figuur 1), die als een code voor bacteriën is die alle informatie draagt die voor een cel nodig is om te overleven. Als nieuwe cellen geen volledige kopie van deze informatie ontvangen, kunnen ze niet goed groeien en zullen ze niet overleven.

de vorming van de Z-ring precies in het midden van de cel is essentieel om twee gezonde cellen te produceren; anders zal één cel geen DNA bevatten en afsterven (figuur 1B). Dit resulteert in slechts de helft van de nieuwe bacteriële cellen overleven, wat niet zo goed is voor bacteriële groei. Hier komt een zeer interessante vraag-hoe zorgt een bacteriële cel ervoor dat de Z-ring alleen in het midden van de cel vormt en niet ergens anders in de cel? De plaats waar de Z-ring zich vormt is zo belangrijk dat het onder controle is van vele systemen die samenwerken om te voorkomen dat de Z-ring zich ergens anders dan in het midden van de cel vormt.

naast de zekerheid dat de Z-ring zich op de juiste plaats vormt, moet een cel ook de juiste tijd voelen om de Z-ring te vormen en te delen. Dit hangt sterk af van de omgeving waarin de bacteriën zich bevinden. Bijvoorbeeld, als het extreem koud is of als er geen voedsel in de buurt is, groeien bacteriën heel langzaam en hoeven ze niet vaak te delen. Een goede tijd voor bacteriën om te delen is wanneer tal van hun favoriete voedingsmiddelen, zoals eenvoudige suikers, beschikbaar zijn. In deze situatie zullen de bacteriële cellen sneller groeien en zeer snel beginnen te delen, om ervoor te zorgen dat er zoveel mogelijk nieuwe bacteriën worden geproduceerd voordat het voedsel opraakt. Maar de vraag is: hoe voelen de bacteriën de aanwezigheid van voedsel in hun omgeving en gebruiken ze deze informatie om de groei en celdeling te versnellen? Dit is de vraag die we wilden beantwoorden in onze studie.

onze studie—bacterieel voedsel is niet alleen voor energie, het doet meer……

voedsel wordt afgebroken in een cel om energie en bouwstenen te maken voor de cel om te groeien, en het proces dat dit doet staat bekend als metabolisme. Dus, met andere woorden, de vraag die we stelden in onze studie was: hoe is metabolisme verbonden met celdeling in bacteriën? Eerst moeten we je iets vertellen over hoe metabolisme werkt. Enzymen zijn kleine componenten in cellen die alle chemische reacties uitvoeren die nodig zijn voor het afbreken van voedsel tijdens het metabolisme. Glucose, een eenvoudige suiker die afkomstig is van het voedsel dat bacteriën eten, wordt afgebroken door enzymen in een aantal stappen, die samen bekend staan als het proces van glycolyse (oranje doos in Figuur 2A). De laatste stap van glycolyse produceert een samenstelling genoemd pyruvate die wordt gebruikt om energie en bouwstenen voor de cel te produceren om te groeien.

zoals we al eerder zeiden, vormt een gezonde bacteriële cel een Z-ring in het midden van de cel (figuur 2B). In onze studie hebben we ontdekt dat, als het enzym dat de laatste stap van de glycolyse uitvoert ontbreekt (wat betekent dat bacteriën hun voedsel niet meer correct verwerken), de bacteriële cel de Z-ring begint te vormen op andere locaties dan het midden. Zoals u in Figuur 2C kunt zien, cellen die het enzym missen dat betrokken is bij de laatste stap van glycolyse vormen z-ringen naar één uiteinde van de cel. Dit is slecht nieuws, en deze cellen delen zich verkeerd, en produceren een grote cel en een andere zeer kleine cel die geen DNA bevat, en dus niet langer kunnen overleven. Dit resultaat toonde ons dat deze laatste stap van glycolyse erg belangrijk is voor de juiste positionering van de Z-ring in het midden van de cel.

we vroegen ons toen af of deze verandering in de positie van de Z-ring optreedt omdat het enzym dat betrokken is bij de laatste stap van de glycolyse ontbreekt, of omdat de verbinding die door dit enzym, pyruvaat, wordt geproduceerd, ontbreekt? (zie figuur 2A). We hebben deze mogelijkheid getest door het enzym te verwijderen, zodat bacteriële cellen zelf geen pyruvaat meer konden produceren. daarna hebben we pyruvaat toegevoegd als onderdeel van de voedselbron van de bacteriën. Normaal gesproken, cellen ontbreekt het enzym dat pyruvaat vorm z ringen naar de uiteinden van de cellen, maar wanneer pyruvaat opnieuw werd toegevoegd, de bacteriën begonnen de vorming van de Z-ringen in het midden van de cel, zoals gezonde bacteriële cellen doen. Kijk eens naar de verschillende posities van z—ringen in cellen zonder het enzym dat betrokken is bij de laatste stap van de glycolyse en wanneer pyruvaat wordt toegevoegd aan deze cellen, in Figuur 2C,D. Dit resultaat bevestigde dat het niet het enzym zelf is dat belangrijk is voor de positie van de Z-ring, maar zijn product-pyruvaat. Dit was de eerste keer dat een verband tussen een chemische stof betrokken bij glycolyse en celdeling was aangetoond, en zo werd pyruvaat toen de focus van onze verdere experimenten.

Hoe bepaalt de beschikbaarheid van voedsel de positie van de Z-Ring?

met de bevinding dat pyruvaat belangrijk is voor de vorming van Z-ringen in het midden van de cel, werden we nog nieuwsgieriger om te begrijpen hoe de processen van metabolisme en celdeling communiceren. We weten dat wanneer pyruvaat wordt geproduceerd, het dan door een ander enzym wordt gebruikt om energie in de cel te produceren. We vroegen ons af of dit tweede enzym zich op een bepaalde plaats in een bacteriële cel bevond, wat de Z-ring in het midden helpt vormen.

door zowel het DNA als het enzym “glow” te maken, kunnen we zien waar ze zich in de cel bevinden met behulp van een microscoop. Bij gezonde bacteriën vonden we dat het enzym en DNA zich op dezelfde plaats bevonden, waar ze beide gezien konden worden als ronde blobs in de cel (Figuur 3). In cellen die geen pyruvaat konden produceren, vonden we dat het enzym niet meer aanwezig was op dezelfde plaats als het DNA, in plaats daarvan bewoog het enzym naar de twee uiteinden van de cel. Dit is dezelfde plaats waar Z-ringen zich vormen in de cellen die niet goed Delen. We weten al dat het toevoegen van pyruvaat aan deze cellen de Z-ring weer terugbrengt naar het midden van de cel, dus vroegen we ons af of pyruvaat ook de locatie van het enzym zou veranderen naar waar het DNA werd gevonden. Dit is precies wat er gebeurd is! Deze resultaten toonden aan dat pyruvate belangrijk is voor het juiste positioneren van de Z-ring in het midden van de cel, en pyruvate doet dit op de een of andere manier door met het enzym te werken dat pyruvate gebruikt om energie te maken. Dit is logisch, omdat pyruvaat en het enzym samenwerken op dezelfde weg.

onze resultaten toonden aan dat metabolisme en bacteriële celdeling met elkaar communiceren via pyruvaat (en het enzym dat pyruvaat gebruikt om energie te produceren) om ervoor te zorgen dat de Z-ring op de juiste plaats wordt gevormd. Bij goed gevoede bacteriën (die pyruvaat goed kunnen maken) bevindt het enzym zich op dezelfde plaats als DNA in de cel. Op deze locatie lijkt het enzym de Z-ring te helpen vormen in het midden van de cel, zodat de cel zich correct verdeelt. Echter, als cellen pyruvaat niet maken, het enzym eindigt op de verkeerde plaats en zo doet de Z-ring (naar de uiteinden van de cel). Dus, wanneer voedsel niet correct wordt verwerkt en pyruvaat niet wordt geproduceerd, beginnen bacteriën fouten te maken in het celdelingsproces. Dit is vergelijkbaar met wat wordt gezien bij mensen met lactose-intolerantie. Als ze melk drinken, kunnen ze lactose niet goed verwerken en worden ze daarom ziek. Dus het vermogen om voedsel correct te verwerken en gezond te zijn is echt belangrijk voor alle levende dingen. Wanneer voedsel niet wordt verwerkt zoals het in bacteriën zou moeten zijn, wordt de Z-ring gevormd op plaatsen waar het niet zou moeten zijn, waardoor cellen zich op de verkeerde manier verdelen, waardoor het aantal bacteriën de kans vermindert dat de bacteriepopulatie overleeft. Deze fout in verdeling kan worden vastgesteld door bacteriën het juiste voedsel te geven (het toevoegen van pyruvaat terug), waaruit blijkt dat de manier waarop bacteriën het voedsel in hun omgeving gebruiken cruciaal is voor hun vermogen om te groeien en te verdelen.

waarom geven we om de Metabolism-Division Link?

de vraag die we in deze studie stelden was: hoe voelen bacteriën de beschikbaarheid van voedsel in het milieu aan en hoe beïnvloedt de aanwezigheid van voedsel het proces van celdeling? Als voedsel gemakkelijk te vinden is, groeien bacteriën en delen ze heel snel, maar ze delen veel langzamer als voedsel schaars is. Hoe bacteriën weten te delen op verschillende tarieven wanneer verschillende niveaus van voedsel zijn rond is niet bekend. Door meer te begrijpen over hoe bacteriën beschikbare voedselbronnen kunnen waarnemen, vooral tijdens infecties, en hoe het waarnemen van voedsel bacteriegroei controleert, kunnen we voorkomen dat bacteriën het juiste type voedsel krijgen of hun voedsel goed kunnen verwerken, wat kan voorkomen dat ze zich delen en infecties veroorzaken. Dit komt omdat bacteriën niet goed kunnen groeien als ze niet het juiste voedsel krijgen of als ze voedsel niet correct verwerken. Dit is vergelijkbaar met mensen-we eten goed voedsel om gezond te blijven en het niet eten van het juiste voedsel kan ons ziek maken. Daarom is de zinsnede “we zijn wat we eten” evenzeer van toepassing op bacteriën en mensen. Uit deze studie hebben we een spannende nieuwe link gevonden tussen bacterieel metabolisme en celdeling. Maar deze processen zijn zeer complex en we hebben nog maar net aan de oppervlakte om te proberen deze link te begrijpen—dus de volgende stap zal zijn om dit mysterie op te lossen.

aan het begin van dit artikel hebben we gesproken over de kwestie van antibioticaresistentie. Wat heeft het verband tussen metabolisme en celdeling te maken met antibioticaresistentie? Om het probleem van antibioticaresistentie aan te pakken, moeten we nieuwe antibiotica ontwikkelen die zich richten op onontdekte aspecten van bacteriegroei en-overleving. Veel van de momenteel beschikbare antibiotica richten processen die bacteriën gebruiken om of DNA, proteã nen of de buitenlaag van de bacteriële cel te maken. Deze antibiotica zijn zeer succesvol geweest, maar bacteriën hebben tactieken ontwikkeld om deze processen te blijven doen, zelfs in de aanwezigheid van antibiotica. In dit werk identificeerden we een nieuwe link tussen metabolisme en celdeling in bacteriën, die als doelwit zouden kunnen dienen voor nieuwe antibiotica. Als we kunnen voorkomen dat bacteriën pyruvaat maken, of veranderen waar het enzym dat pyruvaat gebruikt zich in de cel bevindt, worden zowel het metabolisme als de celdeling verstoord en sterven cellen af. Als een antibioticum kan worden gemaakt dat zich richt op twee verschillende processen die belangrijk zijn voor bacteriële overleving (metabolisme en celdeling), zal het moeilijker voor de bacteriële cel om resistent te worden tegen dat antibioticum, omdat het zal moeten ontwikkelen tactiek om het effect van het antibioticum op beide processen te overwinnen. Het veel moeilijker maken van antibioticaresistentie voor een bacteriële cel zal hopelijk een nieuwe oplossing bieden om antibioticaresistentie te bestrijden.

verklarende woordenlijst

bacteriële celdeling: het proces van een bacteriële cel splitsen in twee cellen.

DNA: de code in een cel die alle informatie bevat die nodig is om een cel te laten overleven.

metabolisme: alle chemische processen die betrokken zijn bij de omzetting van voedsel in energie worden samen metabolisme genoemd.

enzym: een biologisch bestanddeel dat helpt een reactie snel te laten gebeuren.

Glucose: een enkelvoudige suiker.

glycolyse: een route die glucose breekt in twee moleculen pyruvaat.

pyruvaat: een chemische verbinding die ontstaat nadat glucose wordt afgebroken (gemetaboliseerd).

verklaring inzake belangenconflicten

de auteurs verklaren dat het onderzoek werd uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële relatie die als een potentieel belangenconflict kon worden opgevat.

Dankbetuigingen

RM wordt ondersteund door een Australian Government Research Training Program Scholarship. AB en EH worden ondersteund door een Australian Research Council Discovery project grant DP150102062.

oorspronkelijke Bron artikel

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G., and Harry, E. J. 2014. Coördinatie van bacteriële celdeling met beschikbaarheid van voedingsstoffen: een rol voor glycolyse. MBio 5 (3): 1-13. doi: 10.1128 / mBio.00935-14