Een tegendraadse bacterie - Willy van Strien
Een tegendraadse bacterie - Willy van Strien
Een tegendraadse bacterie - Willy van Strien
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
40<br />
Toen Joost Willemse (1979) <strong>van</strong> de middelbare school kwam, kon of wilde hij niet kiezen tussen wiskunde, natuurkunde, scheikunde en<br />
biologie. De studie moleculaire wetenschappen in Wageningen omvatte al die vakken, dus dat werd het. Omdat hij graag werkt met levend<br />
materiaal en met moderne apparatuur legde hij zich toe op gea<strong>van</strong>ceerde microscopische technieken. Hij promoveerde in Wageningen op<br />
de DNA-organisatie <strong>van</strong> het modelplantje Arabidopsis en kwam vervolgens naar Leiden voor een postdoc plaats bij de afdeling Moleculaire<br />
Biotechnologie <strong>van</strong> het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek.
JOOST WILLEMSE LEIDS INSTITUUT VOOR CHEMISCH ONDERZOEK<br />
<strong>Een</strong> <strong>tegendraadse</strong> <strong>bacterie</strong><br />
Soms stuit een onderzoeker op iets dat tegen de bestaande<br />
kennis in gaat, en dat zijn natuurlijk de spannendste ontdekkingen.<br />
Het overkwam ook Joost Willemse. Hij zag dat de <strong>bacterie</strong><br />
Streptomyces de celdeling niet volgens de boekjes uitvoert, zoals<br />
andere bacteriën dat wel doen, maar op een geheel eigen manier.<br />
Zo’n vondst stuit makkelijk op ongeloof en scepsis, maar hij kon zijn<br />
verhaal goed onderbouwen en heeft nu een mooie publicatie op<br />
zijn naam staan.<br />
Op een geleiachtige laag agar in een petrischaaltje liggen tientallen<br />
zilvergrijze bolletjes. Wie niet beter weet zou zeggen dat dit een<br />
schimmelkweek is. “Daar heeft het inderdaad veel <strong>van</strong> weg”, zegt<br />
Joost Willemse. “Maar dit zijn kolonies <strong>van</strong> een <strong>bacterie</strong>, Streptomyces<br />
coelicolor.” De gelijkenis met schimmels is maar schijn, legt hij<br />
uit. Qua biochemie verschilt de <strong>bacterie</strong> daar hemelsbreed <strong>van</strong>.<br />
Maar Streptomyces is een vreemde <strong>bacterie</strong>, dat wel. Het is een <strong>van</strong><br />
de weinige die meercellig is. Hij ontwikkelt vertakkende draden in<br />
de bodem die net als bij schimmels hyfen heten en een mycelium<br />
vormen. “Op een agarbodem zie je die kolonies als glimmende<br />
plekjes”, zegt Willemse. “Op een gegeven moment worden het witte<br />
vlekken doordat er draden aan de oppervlakte komen en naar boven<br />
groeien. En vervolgens verdelen die draden zich in reeksen grijze<br />
sporen, zoals bij de kolonies in deze petrischaal. De sporen verspreiden<br />
zich en kiemen, waarna nieuwe kolonies ontstaan.”<br />
Aan het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek wilden onderzoekers<br />
weten hoe de celdeling verloopt bij deze nuttige <strong>bacterie</strong> met<br />
zijn schimmelachtige voorkomen, en bij die vraag sloot Willemse<br />
zich aan. “Ik ben altijd nieuwsgierig naar biologische processen, en<br />
welk proces is er nu fundamenteler dan celdeling? Ik was in Wageningen<br />
gepromoveerd op de DNA-organisatie in delende plantencellen<br />
en was nu benieuwd te zien hoe celdeling bij deze <strong>bacterie</strong><br />
verloopt.”<br />
Ladder<br />
Dat Streptomyces ook wat celdeling betreft een buitenbeentje is,<br />
was op voorhand al duidelijk. <strong>Een</strong> celdeling bij normale, eencellige<br />
bacteriën houdt in dat de moedercel zich splitst in twee dochtercellen.<br />
Zo’n splitsing kent Streptomyces niet. De ondergrondse hyfen<br />
bestaan wel uit meer cellen, maar die zijn niet echt <strong>van</strong> elkaar<br />
gescheiden en vormen één geheel. Alleen bij de sporenvorming is<br />
sprake <strong>van</strong> celdeling en die is dan veelvoudig. De witte draden die<br />
naar boven groeien vormen aan<strong>van</strong>kelijk ook één compartiment<br />
<strong>van</strong> samengesmolten cellen. Op een goed moment gaan die sporenvormende<br />
hyfen krullen en worden ze dikker, om zich tenslotte in<br />
één keer op te delen tot tientallen sporen.<br />
De normale bacteriële celdeling staat onder regie <strong>van</strong> het eiwit FtsZ.<br />
Dat eiwit vormt lange moleculen die zich in het midden <strong>van</strong> de<br />
moedercel verzamelen en in een ring langs de ‘evenaar’ gaan liggen,<br />
41
42<br />
JOOST WILLEMSE<br />
de Z-ring. FtsZ rekruteert andere eiwitten, waaronder eiwitten die<br />
een scheidingswandje vormen. De FtsZ-moleculen haken zich aan<br />
elkaar vast en schuiven steeds verder over elkaar heen, zodat de<br />
Z-ring nauwer en nauwer wordt. Er ontstaat een steeds strakkere<br />
insnoering en tenslotte splitsen de dochtercellen zich <strong>van</strong> elkaar af.<br />
FtsZ-moleculen mogen zich alleen verzamelen op de plaats waar<br />
een scheidingswandje moet komen en alleen als er zo’n wandje moet<br />
komen. Zogenoemde Min-eiwitten fungeren als de waakhond die<br />
voorkomt dat FtsZ moleculen op verkeerde plaatsen en momenten<br />
samenscholen. Pas als er weinig Min is, kan FtsZ een celdeling in<br />
gang zetten. Willemse: “FtsZ is als eerste op de plaats <strong>van</strong> de scheiding<br />
aanwezig. Maar voor die aanwezigheid geldt dus: nee, tenzij.<br />
En zo staat het ook in de leerboeken: de celdeling <strong>van</strong> bacteriën<br />
begint altijd met FtsZ, en dat staat altijd onder negatieve controle.”<br />
Maar in de sporenvormende hyfen <strong>van</strong> Streptomyces ontstaat een<br />
hele ladder <strong>van</strong> scheidingswandjes. De vraag was hoe dat proces<br />
gereguleerd wordt. “We wisten al dat Streptomyces geen Min heeft,<br />
en dat er, naast FtsZ, twee andere eiwitten in een vroeg stadium<br />
bij de celdeling zijn betrokken: SsgA en SsgB”, vertelt Willemse.<br />
Aan hem was de taak om hun functie op te helderen.<br />
Lampjes<br />
Willemse maakte de eiwitten waar<strong>van</strong> hij de functie wilde achterhalen<br />
zichtbaar in levende cellen door er een fl uorescerende groep aan<br />
te plakken. Zo kregen ze een groen of rood lampje dat aanging als<br />
hij ze even belichtte.<br />
Aan de hand <strong>van</strong> een reeks fraaie rood-groene plaatjes laat hij zien<br />
dat SsgA als eerste op de plaats <strong>van</strong> de toekomstige scheidingswandjes<br />
verschijnt en dat SsgB zich daarbij aansluit. Daarna voegt FtsZ<br />
zich erbij om Z-ringen te vormen; tegen die tijd is SsgA een stapje<br />
opzij gegaan. SsgB en FtsZ blijven in het karakteristieke ladderpatroon<br />
aanwezig totdat de sporen zijn gevormd. Willemse laat op een<br />
fi lmpje zien hoe SsgB zich op bepaalde plaatsen verzamelt, hoe FtsZ<br />
daar na een paar minuten bij komt en hoe na een half uur de ladders<br />
<strong>van</strong> Z-ringen gevormd zijn.<br />
“Het zag er naar uit dat FtsZ bij Streptomyces niet als eerste op de<br />
plaats <strong>van</strong> de scheidingswandjes aanwezig is”, zegt Willemse. “Het<br />
wordt opgetrommeld door SsgB, dat op zijn beurt door SsgA wordt<br />
gerekruteerd. Dat zou betekenen dat FtsZ onder positieve controle<br />
staat: het wordt niet weggehouden <strong>van</strong> plaatsen waar geen wandje<br />
moet komen, maar juist gedirigeerd naar plaatsen waar dat wel<br />
moet: ja, mits.”<br />
Nieuwe techniek<br />
Om dit beeld te bevestigen en verder in te kleuren nam Willemse<br />
de <strong>bacterie</strong> mee naar zijn oude werkplek in Wageningen. Met FRAP<br />
(Fluorescence Recovery After Photobleaching) mat hij de beweeglijkheid<br />
<strong>van</strong> eiwitten die met een fl uorescerende groep gemerkt zijn.<br />
Aan het begin <strong>van</strong> de sporenvorming bleek SsgA het meest actief,<br />
tijdens de celdeling werden SsgB en FtsZ actiever.<br />
Hij onderzocht ook de wisselwerking tussen eiwitten. <strong>Een</strong> groen<br />
fl uorescentielampje aan een eiwit kan gaan branden als het even<br />
wordt belicht, maar het kan in plaats daar<strong>van</strong> ook een rood lampje<br />
aan een ander eiwit ‘aansteken’ dat er vlak naast ligt. De mate waarin<br />
dat gebeurt is een maat voor de afstand tussen de eiwitten, en het is<br />
te meten met FRET-FLIM (Fluorescence Resonance Energy Transfer,<br />
Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy). “We waren de eerste<br />
die deze techniek toepasten op een <strong>bacterie</strong>”, zegt Willemse. Hij liet<br />
er nog eens mee zien dat SsgB en FtsZ tijdens celdeling vlakbij elkaar<br />
zitten. Door ook het celmembraan te kleuren kon hij laten zien dat<br />
SsgB aan dit membraan vastzit en dat de Z-ring daarbinnen ligt.<br />
De leerboeken die zeggen dat bacteriële celdeling altijd begint met<br />
FtsZ en dat dit eiwit altijd onder negatieve controle staat, hadden<br />
buiten de <strong>tegendraadse</strong> Streptomyces gerekend.<br />
Willemse heeft op allerlei manieren bewezen dat Streptomyces de<br />
celdeling anders regelt dan andere bacteriën. Omdat er tientallen<br />
scheidingswandjes in een keer ontstaan, moet dat waarschijnlijk<br />
ook wel. Het is logischer om een positief signaal af te geven op de<br />
plaatsen waar al die wandjes moeten ontstaan dan met een negatief<br />
signaal aan te geven waar ze niet mogen komen.<br />
<strong>Willy</strong> <strong>van</strong> <strong>Strien</strong>
Met behulp <strong>van</strong> verschillende microscopische technieken hebben we laten zien dat celdeling in<br />
Streptomyces positief gereguleerd is.<br />
Hiervoor is onder andere het uiterlijk <strong>van</strong> bacteriële kolonies bestudeerd (Onder), de lokalisatie <strong>van</strong> verschillende eiwitten<br />
die dit uiterlijk beïnvloeden (Midden), en gedetailleerde elektronenmicroscopie opnamen (Boven). Dit alles heeft geresulteerd<br />
in een model (Rechts) over de positieve regulatie <strong>van</strong> meervoudige celdeling in bacteriën.<br />
43