Hoe bacteriën hun genen reguleren om zichzelf te verdedigen

Voor het eerst is in levende cellen aangetoond hoe de E. coli-bacterie genen reguleert die hem helpen te overleven in een nieuwe omgeving. Biochemicus Fatema Zahra Rashid slaagde hierin met een door haar ontwikkelde techniek. Zijn onderzoek naar veranderingen in de driedimensionale chromosoomstructuur biedt aanwijzingen voor het bestrijden van ziekteverwekkers en is verschenen Communicatie over de natuur 17 november.

Bacteriën vormen een veel voorkomende bedreiging voor de menselijke gezondheid en het welzijn. Terwijl van sommige bekend is dat ze ernstige voedselvergiftiging veroorzaken, kunnen andere levensbedreigende infecties van weefsels veroorzaken, zoals de menselijke longen. Om effectief te zijn in hun ‘taak’ hebben bacteriën in alle gevallen mechanismen nodig om te overleven door zich aan te passen aan hun omgeving.

De bacterie en zijn chromosoom

Het is werkelijk fascinerend hoe eencellige organismen, die vaak als eenvoudig worden beschouwd, zich zo goed kunnen aanpassen aan een vijandige omgeving. Als we erachter komen hoe, kunnen we ze misschien ervan weerhouden dit te doen en zo de ziekteverwekkers bestrijden.

Het bacteriële chromosoom zweeft vrij in de cel, maar is stevig op elkaar gepakt zodat het past. Als je zou kunnen inzoomen op een deel van het chromosoom, zou je zien dat het DNA strak of losjes is opgevouwen, met hier en daar knikken en lussen die het ene stukje DNA verbinden met een stukje DNA verderop. Alle soorten eiwitten hebben hiermee te maken. Gebonden of ongebonden reguleren ze welke genen toegankelijk en leesbaar zijn en dienen daarom als templates voor het maken van eiwitten.

Tientallen jaren lang hebben biochemici en genetici bestudeerd hoe genregulatie werkt. Fatema Zahra Rashid is al zo’n tien jaar een van hen: eerst als masterstudent, daarna als promovendus. student en nu als postdoc.

“Mijn onderzoek richt zich op een specifiek stukje DNA in Escherichia coli: het ProVWX- of ProU-operon. Dit is een groep genen waarvan we weten dat ze betrokken zijn bij de bescherming tegen osmotische shock.” Een osmotische shock treedt op wanneer de omgeving plotseling veel meer of minder zout wordt dan de vloeistof in de bacterie. De hoeveelheid zout verandert dan ook daarin en dit leidt tot het niet goed functioneren van cellulaire processen en de dood van cellen als ze zich niet kunnen aanpassen.

Een eiwit bindt stukjes DNA met twee handen aan elkaar

Bij zo’n osmotische schok wordt het DNA in het eerder genoemde ProU-operon plotseling zwaar afgelezen. In reageerbuisjes met stukjes DNA was al aangetoond dat dit verband hield met het regulerende eiwit H-NS, dat in veel bacteriën aanwezig is. De leider van Rashids groep, professor moleculaire en cellulaire biochemie Remus Dame, diende een Ph.D. student hoe dit eiwit met twee ‘handen’ twee delen van een DNA vastpakt en een ring maakt, zegt hij.

‘Na de osmotische schok dachten we dat die kleine handjes zichzelf konden bevrijden, waardoor het DNA beschikbaar werd om te lezen en er een specifiek eiwitsysteem ontstond dat de cel beschermt. Wanneer het evenwicht in de cel is hersteld, zullen de kleine handjes het DNA oppakken en transcriptie zal stoppen.”

Een momentopname van de cel

Dame’s collega Rashid heeft nu in levende bacteriën aangetoond dat dit precies is hoe het werkt. Hij stelde levende bacteriën bloot aan osmotische shock. “Na een tijdje heb ik er een fixeermiddel aan toegevoegd, waardoor alle eiwitten en DNA ‘bevroren’. In zekere zin is dit alsof je een momentopname van de cel maakt.”

Uit die gefixeerde cellen haalde Rashid DNA en knipte het in kleine stukjes. Als het operon in een lus zat, zaten de voorste en achterste stukken aan elkaar vast. Anders lagen het begin- en eindstuk verder uit elkaar. Hij kon het meten. Ze kon ook vaststellen dat een groter deel van het beschermingssysteem werd geproduceerd na de osmotische shock op basis van de ProU-genen. Normaal gesproken spreekt hij één keer per week met zijn begeleider Remus Dame. “Toen ik deze resultaten ongeveer twee jaar geleden voor het eerst zag, wachtte ik niet op mijn wekelijkse consultatie”, glimlacht hij.

Een middel om ziekteverwekkers te bestrijden op basis van het reguleren van hun DNA zal niet snel beschikbaar zijn. Er is echter een mijlpaal.

Dame zei: “Dit soort regulerende mechanismen zijn al lange tijd bestudeerd in eukaryoten, organismen met een celkern. Nu zien we dat ze ook in prokaryoten hoog ontwikkeld zijn. Verschillende studenten gebruiken deze methode nu om te zien of de Hetzelfde gebeurt bij bacteriën als de omgeving plotseling erg zuur wordt, zoals in de maag. En wat gebeurt er als er een temperatuurverandering plaatsvindt, bijvoorbeeld wanneer een bacterie van de omgeving naar de gastheer beweegt.’