Een tegendraadse bacterie - Willy van Strien

40
Toen Joost Willemse (1979) van de middelbare school kwam, kon of wilde hij niet kiezen tussen wiskunde, natuurkunde, scheikunde en
biologie. De studie moleculaire wetenschappen in Wageningen omvatte al die vakken, dus dat werd het. Omdat hij graag werkt met levend
materiaal en met moderne apparatuur legde hij zich toe op geavanceerde microscopische technieken. Hij promoveerde in Wageningen op
de DNA-organisatie van het modelplantje Arabidopsis en kwam vervolgens naar Leiden voor een postdoc plaats bij de afdeling Moleculaire
Biotechnologie van het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek.

JOOST WILLEMSE LEIDS INSTITUUT VOOR CHEMISCH ONDERZOEK
Een tegendraadse bacterie
Soms stuit een onderzoeker op iets dat tegen de bestaande
kennis in gaat, en dat zijn natuurlijk de spannendste ontdekkingen.
Het overkwam ook Joost Willemse. Hij zag dat de bacterie
Streptomyces de celdeling niet volgens de boekjes uitvoert, zoals
andere bacteriën dat wel doen, maar op een geheel eigen manier.
Zo’n vondst stuit makkelijk op ongeloof en scepsis, maar hij kon zijn
verhaal goed onderbouwen en heeft nu een mooie publicatie op
zijn naam staan.
Op een geleiachtige laag agar in een petrischaaltje liggen tientallen
zilvergrijze bolletjes. Wie niet beter weet zou zeggen dat dit een
schimmelkweek is. “Daar heeft het inderdaad veel van weg”, zegt
Joost Willemse. “Maar dit zijn kolonies van een bacterie, Streptomyces
coelicolor.” De gelijkenis met schimmels is maar schijn, legt hij
uit. Qua biochemie verschilt de bacterie daar hemelsbreed van.
Maar Streptomyces is een vreemde bacterie, dat wel. Het is een van
de weinige die meercellig is. Hij ontwikkelt vertakkende draden in
de bodem die net als bij schimmels hyfen heten en een mycelium
vormen. “Op een agarbodem zie je die kolonies als glimmende
plekjes”, zegt Willemse. “Op een gegeven moment worden het witte
vlekken doordat er draden aan de oppervlakte komen en naar boven
groeien. En vervolgens verdelen die draden zich in reeksen grijze
sporen, zoals bij de kolonies in deze petrischaal. De sporen verspreiden
zich en kiemen, waarna nieuwe kolonies ontstaan.”
Aan het Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek wilden onderzoekers
weten hoe de celdeling verloopt bij deze nuttige bacterie met
zijn schimmelachtige voorkomen, en bij die vraag sloot Willemse
zich aan. “Ik ben altijd nieuwsgierig naar biologische processen, en
welk proces is er nu fundamenteler dan celdeling? Ik was in Wageningen
gepromoveerd op de DNA-organisatie in delende plantencellen
en was nu benieuwd te zien hoe celdeling bij deze bacterie
verloopt.”
Ladder
Dat Streptomyces ook wat celdeling betreft een buitenbeentje is,
was op voorhand al duidelijk. Een celdeling bij normale, eencellige
bacteriën houdt in dat de moedercel zich splitst in twee dochtercellen.
Zo’n splitsing kent Streptomyces niet. De ondergrondse hyfen
bestaan wel uit meer cellen, maar die zijn niet echt van elkaar
gescheiden en vormen één geheel. Alleen bij de sporenvorming is
sprake van celdeling en die is dan veelvoudig. De witte draden die
naar boven groeien vormen aanvankelijk ook één compartiment
van samengesmolten cellen. Op een goed moment gaan die sporenvormende
hyfen krullen en worden ze dikker, om zich tenslotte in
één keer op te delen tot tientallen sporen.
De normale bacteriële celdeling staat onder regie van het eiwit FtsZ.
Dat eiwit vormt lange moleculen die zich in het midden van de
moedercel verzamelen en in een ring langs de ‘evenaar’ gaan liggen,
41

42
JOOST WILLEMSE
de Z-ring. FtsZ rekruteert andere eiwitten, waaronder eiwitten die
een scheidingswandje vormen. De FtsZ-moleculen haken zich aan
elkaar vast en schuiven steeds verder over elkaar heen, zodat de
Z-ring nauwer en nauwer wordt. Er ontstaat een steeds strakkere
insnoering en tenslotte splitsen de dochtercellen zich van elkaar af.
FtsZ-moleculen mogen zich alleen verzamelen op de plaats waar
een scheidingswandje moet komen en alleen als er zo’n wandje moet
komen. Zogenoemde Min-eiwitten fungeren als de waakhond die
voorkomt dat FtsZ moleculen op verkeerde plaatsen en momenten
samenscholen. Pas als er weinig Min is, kan FtsZ een celdeling in
gang zetten. Willemse: “FtsZ is als eerste op de plaats van de scheiding
aanwezig. Maar voor die aanwezigheid geldt dus: nee, tenzij.
En zo staat het ook in de leerboeken: de celdeling van bacteriën
begint altijd met FtsZ, en dat staat altijd onder negatieve controle.”
Maar in de sporenvormende hyfen van Streptomyces ontstaat een
hele ladder van scheidingswandjes. De vraag was hoe dat proces
gereguleerd wordt. “We wisten al dat Streptomyces geen Min heeft,
en dat er, naast FtsZ, twee andere eiwitten in een vroeg stadium
bij de celdeling zijn betrokken: SsgA en SsgB”, vertelt Willemse.
Aan hem was de taak om hun functie op te helderen.
Lampjes
Willemse maakte de eiwitten waarvan hij de functie wilde achterhalen
zichtbaar in levende cellen door er een fl uorescerende groep aan
te plakken. Zo kregen ze een groen of rood lampje dat aanging als
hij ze even belichtte.
Aan de hand van een reeks fraaie rood-groene plaatjes laat hij zien
dat SsgA als eerste op de plaats van de toekomstige scheidingswandjes
verschijnt en dat SsgB zich daarbij aansluit. Daarna voegt FtsZ
zich erbij om Z-ringen te vormen; tegen die tijd is SsgA een stapje
opzij gegaan. SsgB en FtsZ blijven in het karakteristieke ladderpatroon
aanwezig totdat de sporen zijn gevormd. Willemse laat op een
fi lmpje zien hoe SsgB zich op bepaalde plaatsen verzamelt, hoe FtsZ
daar na een paar minuten bij komt en hoe na een half uur de ladders
van Z-ringen gevormd zijn.
“Het zag er naar uit dat FtsZ bij Streptomyces niet als eerste op de
plaats van de scheidingswandjes aanwezig is”, zegt Willemse. “Het
wordt opgetrommeld door SsgB, dat op zijn beurt door SsgA wordt
gerekruteerd. Dat zou betekenen dat FtsZ onder positieve controle
staat: het wordt niet weggehouden van plaatsen waar geen wandje
moet komen, maar juist gedirigeerd naar plaatsen waar dat wel
moet: ja, mits.”
Nieuwe techniek
Om dit beeld te bevestigen en verder in te kleuren nam Willemse
de bacterie mee naar zijn oude werkplek in Wageningen. Met FRAP
(Fluorescence Recovery After Photobleaching) mat hij de beweeglijkheid
van eiwitten die met een fl uorescerende groep gemerkt zijn.
Aan het begin van de sporenvorming bleek SsgA het meest actief,
tijdens de celdeling werden SsgB en FtsZ actiever.
Hij onderzocht ook de wisselwerking tussen eiwitten. Een groen
fl uorescentielampje aan een eiwit kan gaan branden als het even
wordt belicht, maar het kan in plaats daarvan ook een rood lampje
aan een ander eiwit ‘aansteken’ dat er vlak naast ligt. De mate waarin
dat gebeurt is een maat voor de afstand tussen de eiwitten, en het is
te meten met FRET-FLIM (Fluorescence Resonance Energy Transfer,
Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy). “We waren de eerste
die deze techniek toepasten op een bacterie”, zegt Willemse. Hij liet
er nog eens mee zien dat SsgB en FtsZ tijdens celdeling vlakbij elkaar
zitten. Door ook het celmembraan te kleuren kon hij laten zien dat
SsgB aan dit membraan vastzit en dat de Z-ring daarbinnen ligt.
De leerboeken die zeggen dat bacteriële celdeling altijd begint met
FtsZ en dat dit eiwit altijd onder negatieve controle staat, hadden
buiten de tegendraadse Streptomyces gerekend.
Willemse heeft op allerlei manieren bewezen dat Streptomyces de
celdeling anders regelt dan andere bacteriën. Omdat er tientallen
scheidingswandjes in een keer ontstaan, moet dat waarschijnlijk
ook wel. Het is logischer om een positief signaal af te geven op de
plaatsen waar al die wandjes moeten ontstaan dan met een negatief
signaal aan te geven waar ze niet mogen komen.
Willy van Strien

Met behulp van verschillende microscopische technieken hebben we laten zien dat celdeling in
Streptomyces positief gereguleerd is.
Hiervoor is onder andere het uiterlijk van bacteriële kolonies bestudeerd (Onder), de lokalisatie van verschillende eiwitten
die dit uiterlijk beïnvloeden (Midden), en gedetailleerde elektronenmicroscopie opnamen (Boven). Dit alles heeft geresulteerd
in een model (Rechts) over de positieve regulatie van meervoudige celdeling in bacteriën.
43