Bacteriën communiceren ook met elkaar

Quorum sensing

Bacteriën gebruiken communicatie tussen cellen om collectief gedrag te coördineren als reactie op veranderingen in celdichtheid en soortensamenstelling van de gemeenschap. Dit proces wordt ook wel quorum sensing of kortweg QS genoemd. Dit communicatieproces is afhankelijk van de celdichtheid en is alleen effectief wanneer de concentratie van bepaalde extracellulaire signaalmoleculen (d.w.z. auto-inducers) die door bacteriën worden uitgezonden, een drempelwaarde in het medium overschrijdt. Dergelijke signaalmoleculen, of AI's, kunnen een genetisch reguleringsproces op gang brengen, dat resulteert in de expressie van specifieke genetische informatie in de recipiënte bacterie (d.w.z. genexpressie). Dit proces is reeds aangetoond bij meer dan 70 bacteriën.

Net als bij menselijke taal, verschillen deze signalen ook tussen bacteriesoorten. Sommige bacteriën kunnen bijvoorbeeld veel verschillende signalen interpreteren, terwijl andere slechts op enkele reageren. Met behulp van dit communicatieproces kunnen bacteriekolonies verschillende functies uitvoeren: Sporulatie (d.w.z. sporenvorming), bioluminescentie (d.w.z. vermogen om licht te produceren), virulentie (d.w.z. vermogen om te infecteren), conjugatie (d.w.z. genoomoverdracht door celcontact), competentie (d.w.z. vermogen om DNA op te nemen en daardoor te transformeren), en biofilmvorming (d.w.z. levensgemeenschap met een slijmachtige matrix).

Hoe werkt QS?

Tijdens de voortplantingsfase van bacteriën, ontwikkelen ze AI's. Terwijl Gram-negatieve bacteriën zogenaamde acyl-homoserine-lactonen ( afgekort HSL) produceren, zijn bij Gram-positieve bacteriën extracellulaire feromonen verantwoordelijk voor de celcommunicatie. De HSL's kunnen passief door de dunne celwand passeren - de feromonen daarentegen moeten actief door de celwand worden getransporteerd met behulp van extra energie (d.w.z. ATP). In beide gevallen verlaten de AI's de afzonderlijke cellen. Naarmate de bacteriën zich vermeerderen, neemt ook de concentratie van auto-inducers toe en wordt een "kritische massa" bereikt. Het effect van deze drempel is dat het energetisch ongunstig zou zijn als AI's uit de cellen zouden blijven ontsnappen (d.w.z. door diffusie-evenwicht of transport). Dit verhoogt de concentratie in de cellen. Zodra deze intracellulaire concentratie toeneemt, binden de AI's zich aan de receptoren van de bacterie, waardoor signalen worden opgewekt en genexpressie ontstaat. In veel bacteriën houdt de verandering in genexpressie in dat meer AI's worden uitgeschakeld.

QS bij de coördinatie van de ontwikkeling van ziekten

De bekende Gram-negatieve ziekteveroorzakende bacterie Vibrio cholerae (d.w.z. de verwekker van cholera) gebruikt QS voor besmettelijkheid (d.w.z. virulentie) tijdens infectie met cholera. Tijdens dit proces bouwt de bacterie biofilms op om voedingsstoffen doeltreffender tussen kolonies te transporteren en ze tegelijkertijd te beschermen. Deze communicatieprocessen verhogen het vermogen van de bacterie om zich te reproduceren en mogelijk choleratoxine af te scheiden, dat bij de mens ernstige diarree kan veroorzaken.

Met de nieuwe kennis onderzoeken wetenschappers nu het QS-proces van V. cholerae als een therapeutische mogelijkheid. Een in 2015 gepubliceerde studie toonde bijvoorbeeld aan dat het overladen van cholerabacteriën met hun auto-inducers het proces van biofilmvorming helemaal kan stoppen, waardoor het infectieproces mogelijk wordt vertraagd. Dit zou het menselijk immuunsysteem in staat kunnen stellen een achterstand in te lopen tijdens de anders zo snelle infectiefase. Medische relevantie bestaat ook als een mogelijke oplossing voor het probleem van de sterke toename van antibioticaresistentie bij verschillende bacteriën.

Medisch belang

Hoewel het onderzoek van Silverman en Bassler heeft geleid tot een nieuw inzicht in de processen van microbiële kolonies, was dit pas na jaren van overreding en na vele publicaties. Lange tijd waren deskundigen van mening dat QS slechts een bijzondere uitdrukking was tussen de bacterie Vibrio fischeri en de dwerginktvis en niet in verband werd gebracht met andere bacteriën. Vandaag is QS meermaals opgespoord en biedt het ook medische mogelijkheden. Om enkelvoudige antibiotica-resistente kiemen te bestrijden, zou het respectieve AI-systeem van deze kiemen kunnen worden ontregeld. Om verschillende bacteriën tegelijk te bestrijden, zou het efficiënter zijn een algemeen doeltreffend AI-systeem te dwarsbomen. Wetenschappers doen momenteel intensief onderzoek naar deze concepten - de stoffen zijn echter nog niet effectief genoeg voor een klinische werking en bezitten niet alle eigenschappen die voor een geneesmiddel vereist zijn. Een omgekeerd effect is ook denkbaar, zei hij, als QS zou kunnen worden gebruikt om de mechanismen van gunstige bacteriën in de darm of op de huid te ondersteunen.

In 2019 toonde Bassler aan dat fagen (d.w.z. virussen die bacteriën aanvallen) ook QS gebruiken om het moment met de hoogste dichtheid aan bacteriën te ervaren. Als zij bacteriën infecteren wanneer hun aantallen het hoogst zijn, is de kans op de hoogste nakomelingen van fagen ook het grootst.

Wegens de Corona-pandemie is de prijsuitreiking uitgesteld tot 14 maart 2022.

Conclusie:

De ontdekking van quorum sensing systemen bij bacteriën is wellicht een van de eerste stappen geweest in de ontwikkeling van een meer efficiënte microbiologische en medische benadering van het antibiotica-onderzoek. Het laatste onderzoek naar microbiële communicatie is nog maar het begin.