Wetenschappers hebben een gen ontdekt dat nodig is voor de ongebruikelijke levensstijl van kleine bacteriën die op het oppervlak van grotere bacteriën leven. Gezelschapsbacteriën zijn een mysterieuze groep kleine micro-organismen waarvan de manier van leven ongrijpbaar is. Hoewel wetenschappers slechts enkele van deze soorten kunnen kweken, maken ze deel uit van een diverse familie die in veel omgevingen voorkomt.
Een scanning-elektronenmicroscoop toont kleine paarse Corynebacterium-cellen die groeien op het oppervlak van een veel grotere cel. Nieuw onderzoek onder leiding van het laboratorium van Joseph Mougous van het UW Medical Center in Seattle onthult hun levenscyclus, genen en enkele moleculaire mechanismen achter hun ongewone levensstijl. Deze epifytische bacteriën zijn Southlakia epibionticum. Beeldcredits: Yaxi Wang, WaiPang Chan en Scott Braswell/Universiteit van Washington
De weinige soorten Corynebacterium die onderzoekers in het laboratorium hebben kunnen kweken, leven op het celoppervlak van een andere, grotere gastheermicrobe. Corynebacteriën missen over het algemeen de genen die nodig zijn om veel van de moleculen te maken die nodig zijn voor het leven, zoals de aminozuren waaruit eiwitten bestaan, de vetzuren die membranen vormen en de nucleotiden in DNA. De onderzoekers speculeerden dat veel ongewervelde dieren afhankelijk zijn van andere bacteriën om te groeien.
In een recente studie gepubliceerd in Cell hebben onderzoekers voor het eerst de moleculaire mechanismen achter de ongebruikelijke levensstijl van Corynebacterium onthuld. Deze doorbraak werd mogelijk gemaakt door de ontdekking van manieren om deze bacteriën genetisch te manipuleren, een vooruitgang die een wereld van mogelijke nieuwe onderzoeksrichtingen opent.
Nitin S. Baliga van het Institute for Systems Biology in Seattle zei: "Hoewel metagenomica ons kan vertellen welke microben op en in ons lichaam leven, geven DNA-sequenties alleen ons geen inzicht in hoe nuttig of schadelijk ze zijn. Vooral niet voor organismen die nog nooit eerder zijn gekarakteriseerd. "
Hij voegde eraan toe: "Het vermogen om Corynebacterium genetisch te ontwrichten opent de mogelijkheid om een krachtige systeemanalyselens toe te passen om snel de unieke biologie van obligaat periphyton te karakteriseren." TAG PH20
Het team achter de studie werd geleid door het laboratorium van Joseph Mougous van de afdeling Microbiologie van de Washington University School of Medicine en het Howard Hughes Medical Institute.
Ze zijn een van de vele onbekende bacteriën waarvan de DNA-sequenties zijn verschenen in grootschalige genetische analyses van genomen die zijn ontdekt in soortenrijke microbiële gemeenschappen uit omgevingsbronnen. Dit genetische materiaal wordt ‘microbiële donkere materie’ genoemd omdat er zo weinig bekend is over de functies die het codeert.
Het Cell-artikel wijst erop dat microbiële donkere materie informatie kan bevatten over biochemische routes met potentiële biotechnologische toepassingen. Het biedt ook aanwijzingen voor de moleculaire activiteiten die microbiële ecosystemen ondersteunen en voor de celbiologie van de verschillende microbiële soorten die in dit systeem samenkomen.
De Corynebacterium die in dit laatste onderzoek is geanalyseerd, behoort tot de Saccharibacteria-groep. Ze leven in verschillende land- en wateromgevingen, maar zijn vooral bekend omdat ze in de menselijke mond leven. Ze maken al sinds het Mesolithicum deel uit van het menselijke orale microbioom en zijn betrokken bij de menselijke mondgezondheid.
In de menselijke mondholte heeft Saccharibacterium het gezelschap nodig van Actinomycetes, die hun gastheren zijn. Om beter te begrijpen hoe gist met zijn gastheer interageert, gebruikten onderzoekers genetische manipulatie om alle genen te identificeren die nodig zijn voor de groei van gist.
Mougous, hoogleraar microbiologie, zei: "We zijn erg enthousiast over een voorlopig inzicht in de functie van de ongebruikelijke genen die door deze bacteriën worden gedragen. Door ons in de toekomst op deze genen te concentreren, hopen we het mysterie te ontrafelen van hoe glycobacteriën gastheerbacteriën gebruiken om te groeien."
Mogelijke gastheer-interagerende factoren die in het onderzoek zijn geïdentificeerd, zijn onder meer celoppervlakstructuren die Saccharibacterium kunnen helpen zich aan gastheercellen te hechten, en gespecialiseerde secretiesystemen die kunnen worden gebruikt om voedingsstoffen te transporteren.
Een andere toepassing van het werk van de auteurs is het genereren van gistcellen die fluorescerende eiwitten tot expressie brengen. Met behulp van deze cellen voerden de onderzoekers time-lapse microfluorescentiebeeldvorming uit van Saccharibacterium die naast gastheerbacteriën groeide.
S. Brook Peterson, een senior wetenschapper in het Moogers-laboratorium, merkte op: "Time-lapse-beeldvorming van Saccharobacterium-gastheercelculturen onthult de verrassende complexiteit van de levenscyclus van deze ongebruikelijke bacteriën."
De onderzoekers melden dat sommige gisten dienen als moedercellen, zich aan de gastheercellen hechten en herhaaldelijk ontluiken om kleine nakomelingen te produceren. Deze kleine jongens blijven zoeken naar nieuwe gastheercellen. Sommige nakomelingen worden op hun beurt moedercellen, terwijl andere op een nutteloze manier met hun gastheren lijken om te gaan.
De onderzoekers zijn van mening dat aanvullend onderzoek naar genetische manipulatie de deur zal openen naar een breder begrip van de rol van wat zij beschrijven als "het rijke reservoir van microbiële donkere materie dat deze organismen herbergen" en mogelijk biologische mechanismen zal blootleggen die nog niet zijn voorgesteld.