Bacteriën vertonen stemmingen en persoonlijkheid

Bacteriën gebruiken een signaalnetwerk van eiwitmoleculen om te bepalen waar ze naar toe willen. Wetenschappers van AMOLF hebben een microscopiemethode ontwikkeld waarmee ze kunnen zien hoe individuele bacteriën dit netwerk gebruiken om beslissingen te nemen. Ze ontdekten dat bacteriën een grote variatie vertonen in stemmingen en persoonlijkheid. Het team publiceert de bevindingen vandaag in het vaktijdschrift eLife.

Impressie van een E. coli bacterie die voortbeweegt door middel van zweepstaarten.

Omdat bacteriën eencellig zijn, hebben ze geen zenuwstelsel, maar ze zijn wel in staat hun bewegingen te beheersen. Daarvoor gebruiken ze een netwerk van eiwitmoleculen die met elkaar samenwerken op een manier die sterk lijkt op hoe zenuwen functioneren in ons brein. “Zo ‘weet’ E. coli, een onschadelijke darmbacterie, wanneer hij zijn rechtdoorgaande zwemrichting moet veranderen door af en toe te tuimelen, waardoor hij in een nieuwe, willekeurige richting verder zwemt,” zegt Tom Shimizu, groepsleider van de Systems Biology groep op AMOLF. “E. coli gebruikt signaaleiwitten om voedselmoleculen of giftige stoffen te detecteren. Daarmee beslist de bacterie al zwemmend of zijn leven beter of slechter wordt, en hoe vaak hij moet tuimelen om op een goede plek terecht te komen.”

Enkele cellen in beeld brengen
Al jaren bestuderen onderzoekers hoe de moleculaire netwerken in bacteriën zoals E. coli reageren op veranderingen in hun omgeving, maar dit onderzoek gebeurde altijd met  experimenten waarin het signaal gemiddeld moet worden over honderden cellen (bacteriën). Johannes Keegstra, promovendus in de groep van Shimizu, ontwikkelde met collega’s een microscopiemethode waarmee ze kunnen zien hoe het eiwitnetwerk in elke individuele bacterie reageert op veranderingen in de omgeving, zoals een plotselinge overvloed aan voedsel.

Persoonlijkheid
De bacteriën die de AMOLF-onderzoekers gebruikten, hadden exact hetzelfde DNA (net als eeneiige tweelingen) en waren onder dezelfde omstandigheden gekweekt. Desondanks ontdekten ze dat het eiwitnetwerk zich anders gedroeg in elke bacterie, terwijl de chemische omgeving gelijk was. “Elke bacterie lijkt een eigen persoonlijkheid te hebben,” zegt Keegstra. “We vonden bijvoorbeeld dat de chemische drempelconcentratie waarop ze reageren, aanzienlijk verschilt tussen bacteriën.”

Stemming
Naast de duidelijke verschillen tussen bacteriën in de manier waarop ze reageren (persoonlijkheid), zagen Shimizu en Keegstra ook dat de mate van moleculaire activiteit binnenin elke bacterie flink kon variëren. Ze ontdekten dat de manier waarop eiwitmoleculen in bacteriën samenwerken niet gelijkmatig is, maar steeds verandert, zelfs in ‘prikkelarme’ omgevingen zonder veranderingen in de hoeveelheid voedsel of gifstoffen. Deze ‘stemmingswisselingen’ van de bacteriën betekenen dat het mechanisme waarmee ze beslissen om te tuimelen of rechtdoor te zwemmen af en toe flink onberekenbaar kan zijn.

De onderzoekers menen dat toevalsgebeurtenissen in de cel deze wisselende moleculaire signalen veroorzaken. “We denken dat de bacteriële individualiteit niet komt door nature (de DNA volgorde) of nurture (omgevingsinvloeden), maar veel meer door willekeurige gebeurtenissen zoals botsingen van moleculen binnenin de bacterie, een klassiek voorbeeld van wat fysici ‘ruis’ noemen,” aldus Shimizu.

Willekeurige zoektocht naar voedsel
“We waren verrast door hoe drastisch de stemmingswisselingen waren,” voegt Keegstra toe. “En omdat we weten dat de bacteriën kunnen voorkomen dat signaalmoleculen zo willekeurig met elkaar ‘praten’, denken we dat het een doel dient.”
Zulke onvaste beheersing van bewegingen kan voordelig zijn als voedsel schaars is. In dat geval gaat het minder om het volgen van zintuiglijke aanwijzingen (zoals geuren), maar meer om het efficiënt doorzoeken van lege ruimtes om spaarzame voedingsmiddelen te lokaliseren. Temperamentvolle bacteriën doen dat beter omdat hun stemmingswisselingen helpen voorkomen dat ze steeds op dezelfde plek terugkeren.
Keegstra: “De aanzienlijke variatie in stemmingen zou kunnen betekenen dat sommige bacteriën zich gedragen als verkenners die afgelegen, grote gebieden onderzoeken met slechts soms een belangrijk resultaat, terwijl anderen dichtbij blijven en efficiënt gebruik maken van wat daar te vinden is. Zo’n verdeling van de arbeid kan gunstig zijn voor de hele populatie.”

De nieuwe inzichten in ruis in biochemische netwerken bieden biotechnologische mogelijkheden. Zo helpen ze bio-engineers om systemen te bouwen die ofwel goed bestand zijn tegen ruis, ofwel optimaal gebruik maken van die ruis.  De kennis over meer stabiele verschillen (persoonlijkheid) in bacterieel gedrag kunnen bovendien van invloed zijn op medische strategieën om ziekmakende bacteriën uit te schakelen zonder de goede bacteriën te schaden.

Referentie
J.M. Keegstra, K. Kamino, F.Anquez, M.D. Lazova, T. Emonet and T.S. Shimizu, Phenotypic diversity and temporal variability in a bacterial signaling network revealed by single-cell FRET, eLife, 2017, https://doi.org/10.7554/eLife.27455