Hoe een bacterie zichzelf beschermt

Microbioloog Bjørn Traag is één van de vijf Leidse onderzoekers die met een Rubiconsubsidie onderzoek gaat doen aan een buitenlandse topuniversiteit. In juli vertrekt hij voor twee jaar naar het Harvard Department of Molecular and Cellular Biology, om alles te weten te komen over de groei van de bacterie Bacillus.

Bjørn Traag: 'Ik wilde altijd al ervaring opdoen in het buitenland. En waarom dan niet aan Harvard? Dat is echt een droomplek.'

Droomplek
Zijn proefschrift is nog maar net af. Toch kan hij niet wachten om zijn koffers te pakken en aan een nieuw onderzoek te beginnen. 'Ik wilde altijd al ervaring opdoen in het buitenland. En waarom dan niet aan Harvard? Dat is echt een droomplek.' Traags promotieonderzoek ging over de groei en celdeling van Streptomyces, een relatief onbekende grondbacterie. Net als een schimmel groeit deze bacterie onder gunstige omstandigheden uit tot een netwerk van draden (mycelium). Aanvankelijk vindt dat proces plaats in de grond, maar als de voedingsstoffen opraken, wordt het mycelium in de bodem afgebroken en maakt hij een luchtmycelium aan. De bacterie groeit dus de lucht in door middel van draden. Om te overleven maakt hij sporen aan, die verspreid worden door wind, water of insecten, net als bij een bloem. Streptomyces is interessant voor de geneesmiddelenindustrie, omdat in het groeiproces antibiotica wordt aangemaakt.

Grondbacterie en darmbacterie
'Een interessante jongen, die Streptomyces, maar wel een zeer complexe', zegt Traag. 'Dat is ook de reden waarom er relatief weinig onderzoek naar gedaan wordt. Het meeste wetenschappelijke onderzoek gaat uit van twee bacteriële modelsystemen, de grondbacterie Bacillus en de darmbacterie E-.coli. Bacillus is het best bekend binnen de microbiologie. De meeste informatie die we over bacteriën hebben is daar van afgeleid.' In Harvard gaat Traag zich dan ook bezighouden met de groei van Bacillus. De kennis over dit 'beest' is ver ontwikkeld in Amerika. Traag: 'Dat land kent een grote onderzoekstraditie. Er is geld. Ze zijn daar zoveel verder dan hier.'

Voedseltekort
Bacillus is een grondbacterie, verwant aan de Bacillus anthracis die bekend is als de verwekker van anthrax ofwel miltvuur. Net als bij Streptomyces maakt Bacillus als hij niet genoeg voeding uit de grond kan halen, sporen om te overleven. In tegenstelling tot Streptomyces, wordt er geen luchtmycelium aangemaakt, maar produceert hij een enkele (ovaalvormige) spore. 'Wat er gebeurt', legt Traag uit, 'is dat de bacterie een voedseltekort signaleert, en om te overleven maakt hij vervolgens 'slapende' sporen aan. Deze sporen ontkiemen vervolgens daar waar de omstandigheden gunstiger zijn, waarna Bacillus z'n nieuwe omgeving weer koloniseert. Ik ga bestuderen hoe de bacterie dat voedseltekort signaleert, en hoe het modelleren van sporen vervolgens in zijn werk gaat.'

Kolonie van de bacterie Streptomyces.

Instructieboek
Het is bekend dat als er een voedseltekort is, een gen (i.e. spo0A) wordt aangezet. 'Het eiwit wat van dit gen gemaakt wordt is de eerste schakel die bepaalt waarom de bacterie uiteindelijk gaat sporuleren', zegt Traag. 'Ik wil weten hoe dat gen geactiveerd wordt. Net als een mens bezit een bacterie DNA. Dat DNA kun je zien als een boek vol informatie, opgebouwd uit hoofdstukken. Die hoofdstukken zijn de genen. Je kunt de parallel verder doortrekken. Als het DNA het instructieboek van de cel is, dan zijn de eiwitten de uitvoerders van dat instructieboek. Eiwitten bepalen alles, ze maken alle processen in organismen mogelijk. Interessant is dus hoe die eiwitten worden aangemaakt.'

Transcriptie en translatie
Dat gebeurt door middel van transcriptie, een proces waarbij DNA wordt overgeschreven in RNA (Ribo Nucleic Acid of ribonucleïnezuur), dat weer vertaald wordt in eiwit (translatie). Groei is dus mogelijk doordat de eigenschappen van de cel worden gekopieerd en vertaald in eiwitten. Traag wil onder andere weten wanneer in de levenscyclus van de bacterie de transcriptie en translatie van het sporulatie-gen plaats vindt (voor of na het voedseltekort), waar in de cel dat gebeurt en waarom.

Sporulatieproces
'Ik ga dus onderzoeken hoe een bacterie zijn omgeving leest, en welk signaal het voedseltekort aangeeft. Vervolgens wil ik weten hoe de bacterie na het opvangen van dit signaal het sporulatieproces in werking zet. Daarmee kan ik de kennis uitbreiden van een model van een relatief eenvoudig organisme, dat ons ook veel kan leren over planten of zelfs mensen. We zien er misschien wel wat anders uit en wij kunnen toevallig denken, maar uiteindelijk zijn toch veel processen in ons lichaam hetzelfde.'

Website van de onderzoeksgroep

(22 april 2008/Marl Pluijmen)