Gestreste bacterie neemt zichzelf de maat : Groeiende E. coli markeert voortdurend waar-ie kan delen als de stress voorbij is

Als E. coli bacteriën zich onprettig voelen, gaan ze in stress-mode en stellen ze de celdeling uit. In de tussentijd groeien ze door tot lange slierten. AMOLF-onderzoekers ontdekten dat de bacteriën ’weten’ hoe lang ze dan zijn, waardoor ze eiwitringen kunnen verplaatsen naar de plekken waar ze moeten delen als de stress voorbij is. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 1 maart 2018 in het vaktijdschrift Current Biology.

“Naar de groei en deling van E. coli wordt wereldwijd veel onderzoek gedaan, maar dat gebeurt meestal onder ideale laboratoriumcondities”, vertelt Martijn Wehrens, promovendus in de groep van Sander Tans op AMOLF. “De echte wereld is natuurlijk niet ideaal, maar bevat allerlei stressfactoren. Hoge temperaturen, antibiotica of gebrek aan voedsel kunnen ervoor zorgen dat E. coli anders groeit dan onder ideale omstandigheden.”

Slierten
Normaal verdubbelt E. coli voorafgaand aan de celdeling in ongeveer een uur zijn lengte. Dan verschijnt er een ringvormige eiwitstructuur op de celwand die zorgt dat de bacterie zich netjes in tweeën deelt. Onder stress blijft de bacterie groeien, maar deelt hij zich niet. De bacterie wordt sliertvormig en kan tot meer dan twintig keer zo lang worden als normaal. “Zo’n lange E. coli-bacterie bevat meerdere kopieën van het DNA. Als de stress-situatie voorbij is, begint de sliert zich meerdere keren achter elkaar te delen”, vertelt Wehrens, die in zijn experimenten E. coli-cellen blootstelde aan stressfactoren zoals antibiotica of een hoge temperatuur. “We zagen een bijzonder patroon van celdelingen dat samenhangt met de lengte van een normale cel. De afstand tussen twee posities voor celdelingen was precies twee maal de normale cellengte. Alsof E. coli er zelf een liniaal langs legde.”

Verspringende liniaal
Om het delingsproces van E. coli na stress beter te begrijpen, deed Wehrens ook experimenten met fluorescent gelabelde eiwitten. De ringvormige eiwitstructuur die de cellen deelt, bleek inderdaad op specifieke posities op te lichten. “Tot onze verbazing blijven die deelringen niet zitten op de plek waar ze ontstaan. Wanneer de cellen langer worden, verdwijnen de ringen plotseling om op een andere plek weer gevormd te worden”, zegt Wehrens. “Dat verdwijnen en op een andere plek weer verschijnen is precies wat nodig is om de afstand tussen twee deelringen altijd op twee normale cellengtes te houden.”
Het bleek dat deze dynamische liniaal geregeld wordt door weer een ander eiwit-systeem. “Het zogenoemde Min-systeem speelt bij de deling van gewone E. coli-bacteriën een bijrol. Het zorgt vooral dat er geen piepkleine celletjes worden gevormd”, vertelt de promovendus. “In sliertvormige E. coli-bacteriën blijkt het Min-systeem veel meer te doen. De eiwitclusters bewegen zich in de lange bacterie op een manier die lijkt op de trilling in een vioolsnaar (een staande golf). Op bepaalde plekken varieert de concentratie Min-eiwitten in de tijd, en op andere plekken verschijnen ze helemaal niet. Bij een trillende snaar hebben de plekken zonder trillingen een zeer precieze afstand en dat geldt ook voor de plekken waar geen Min-eiwitten zitten in een lange E. coli sliert. Dit zijn precies de plekken waar de bacterie zich deelt. Het Min-systeem werkt dus als een liniaal waarmee de cel als het ware zijn grootte meet en ‘weet’ waar hij moet delen.”

De resultaten laten zien dat E. coli-bacteriën met een systeem van liniaaleiwitten en deelringen niet alleen in gunstige omstandigheden heel nauwkeurig hun formaat kunnen meten en reguleren. Wehrens: “Nu we zien dat dit mechanisme juist bij het herstellen van stress voor E. coli een onmisbare rol blijkt te spelen, begrijpen we beter hoe bacteriën overleven in stressvolle situaties, zoals wanneer ziekteverwekkende bacteriën worden aangevallen door het immuunsysteem of een antibioticakuur. Het groeien tot slierten is geen bewijs van onvermogen, maar een doelmatig regulatiesysteem dat zorgt dat bacteriën gecontroleerd langer kunnen worden, maar ook weer op de juiste wijze korter.”

Referentie
Martijn Wehrens, Dmitry Ershov, Rutger Rozendaal, Noreen Walker, Daniel Schultz, Roy Kishony, Petra Anne Levin, Sander Tans, Size Laws and Division Ring Dynamics in Filamentous Escherichia coli cells, Current Biology, 19.03.18. | DOI: doi.org/10.1016/j.cub.2018.02.006

Afbeelding 1: (links) Onder normale omstandigheden hebben E. coli bacteriën een stabiele grootte: als een bacterie met een vastgestelde lengte is gegroeid, deelt hij zich in tweeën.
(midden) Onder stress, zoals een hoge temperatuur of de aanwezigheid van een antibioticum, groeien de bacteriën door zonder te delen. De lange cellen bevatten meerdere kopieën van het DNA-materiaal en deelringen die van plaats veranderen als de bacterie verder groeit.
(rechts) Als de stress voorbij is, delen de draadvormige E. coli bacteriën zich alsnog tot kleinere cellen. De deelposities zijn volledig afhankelijk van de totale lengte van de bacterie.

Afbeelding 2: Onder gewone omstandigheden helpt het Min-systeem E. coli cellen om zich op de juiste plaats te delen. De Min eiwitten houden deling tegen op de plek waar zij zich bevinden. Als de cellen sliertvormig worden als gevolg van stress, wordt het Min-systeem de liniaal waarlangs deelringen zich organiseren. Zodra de stress weer voorbij is, komt het delen weer op gang.