Introductie
Sluit je ogen en stel je bacteriën voor. Misschien beeld je je onze darmen in Escherichia coli, of de glanzende gouden ballen van stafylokokken, of de kurkentrekkerringen van spirocheten bij de ziekte van Lyme. Ongeacht de soort en zijn vorm, is de kans groot dat je geestesoog een enkele cel tevoorschijn tovert, of misschien meerdere vrijlevende cellen.
Het probleem met dit beeld, zegt de microbioloog Julia Schwartzmann, is dat het niet weerspiegelt hoe de meeste bacteriën waarschijnlijk zullen leven. Bacteriën gebruiken vaak kleverige moleculen om zich aan een oppervlak te verankeren, waardoor ze groeien grote, stabiele collectieven biofilms genoemd. De tandplak op je tanden is een biofilm; dat geldt ook voor infecties op katheters, het slijmerige groen van vijverresten en de smurrie die de afvoer van uw badkuip verstopt.
Maar het recente werk van Schwartzman, dat ze als postdoctoraal onderzoeker in het lab van Otto Cordero aan het Massachusetts Institute of Technology, laat zien dat zelfs bacteriën die in de open oceaan drijven, die geen ankerpunt hebben om grote conglomeraten te vormen, in meercellige vormen voorkomen.
"We zagen deze structuren die gewoon ongelooflijk waren", zei ze.
Zoals Schwartzman, Cordero en hun collega's lieten zien in hun recent artikel in Current Biology, deze meercellige vormen zijn ontstaan omdat de bacteriën een levenscyclus ontwikkelden die veel complexer is dan gewoonlijk wordt gezien bij eencellige organismen.
Bedrijf voor diner
Schwartzman kwam tot deze ontdekkingen over multicellulariteit in mariene bacteriën terwijl hij probeerde te leren over iets fundamentelers: hoe ze eten.
In de open oceaan is vaak de enige energiebron voor mariene microben een gelatineachtig koolhydraat dat alginaat wordt genoemd. In tegenstelling tot glucose, fructose en andere eenvoudige suikers die gemakkelijk een celmembraan kunnen passeren, bestaat alginaat uit lange, opgerolde strengen die vaak groter zijn dan de bacteriën die erop eten. Schwartzman wilde meer weten over hoe de bacteriën efficiënt feesten, omdat de spijsverteringsenzymen die ze afscheiden om het alginaat af te breken gemakkelijk kunnen worden verdund en weggevaagd in het open oceaanwater.
Daarom begonnen zij en Ali Ebrahimi, een andere postdoc in Cordero's lab, de groei van de lichtgevende mariene bacterie te meten Vibrio pracht in kolven met warme bouillon beladen met alginaat. In veel microbiologische experimenten voorzien wetenschappers microben van een weelde aan voedingsstoffen om de cellen aan te moedigen zich zo snel mogelijk te delen, maar de kolven van Schwartzman en Ebrahimi dwongen de Vibrio bacteriën leven van relatief kleine hoeveelheden overmaatse alginaatpolymeren, net als in de zee.
Maar toen Schwartzman begon met het verzamelen van gegevens, dacht ze dat ze een beginnersfout had gemaakt. Terwijl bacteriën zich vermenigvuldigen, transformeren ze de heldere, amberkleurige kweekbouillon in een troebele stoofpot. Door de troebelheid te meten, kon Schwartzman het aantal microben in de kolf extrapoleren en een groeicurve construeren om in te schatten hoe snel de cellen zich aan het delen waren. Bacteriologen schatten de groeisnelheid al tientallen jaren op deze manier. Als postdoc was Schwartzman de tel kwijtgeraakt hoe vaak ze dit in de loop der jaren had gedaan.
De groeicurve voor haar Vibrio culturen vertoonden echter niet de gebruikelijke soepel stijgende lijn, maar eerder een hobbelige kronkel als het spoor van een achtbaan. Hoe vaak ze het proces ook herhaalde, de bacteriën produceerden niet de verwachte troebelheid in de bouillon.
Een microscopisch kleine sneeuwbol
Om te controleren wat er aan de hand was, deponeerde Schwartzman een druppel van de kweekoplossing op een glazen microscoopglaasje en tuurde door de lens met een vergroting van 40 keer. Wat zij en Ebrahimi zagen waren geen zwermen individuen Vibrio maar eerder mooie, gelaagde bollen bestaande uit honderden of duizenden bacteriën die samenleven.
"Het was niet alleen een klodder bacteriën," zei Schwartzman. "Het is een bolvormig ding en je kunt de cellen in het midden zien mengen."
Verder werk toonde aan dat de holle bollen waren Vibrio's oplossing voor de gecompliceerde uitdaging van eten op zee. Een individuele bacterie kan maar een bepaald enzym produceren; het afbreken van alginaat gaat veel sneller wanneer Vibrio kunnen clusteren. Het is een winnende strategie, zegt Schwartzman - tot op zekere hoogte. Als er te veel zijn Vibrio, het aantal bacteriën overtreft het beschikbare alginaat.
De bacteriën losten het raadsel op door een complexere levenscyclus te ontwikkelen. De bacteriën leven in drie verschillende fasen. In het begin deelt een individuele cel zich herhaaldelijk en de dochtercellen kruipen samen in groeiende klonten. In de tweede fase herschikken de samengeklonterde cellen zich in een holle bol. De buitenste cellen lijmen zichzelf aan elkaar en vormen zoiets als een microscopisch kleine sneeuwbol. De cellen binnenin worden mobieler en zwemmen rond terwijl ze het opgesloten alginaat consumeren. In de derde fase scheurt de broze buitenste laag, waardoor de goed gevoede binnenste cellen vrijkomen om de cyclus opnieuw te beginnen.
In werkelijkheid, Vibrio een heterogeen mengsel van cellen worden, waarbij de bacteriën verschillende genen gebruiken om hun gedrag in elke fase te controleren. Terwijl de cellen interageren met hun buren in de structuur, komt er "een verrassende hoeveelheid complexiteit" naar voren, zei Schwartzman, die in januari haar eigen laboratorium lanceert aan de Universiteit van Zuid-Californië. "De bacteriën nemen voortdurend informatie op uit hun omgeving en soms reageren ze op manieren die de omgeving veranderen."
Deze complexiteit loont voor Vibrio op meerdere manieren. Door hun levenscyclus aan te passen aan een meercellig stadium, kunnen de bacteriën het alginaat efficiënt verteren: hun aantal neemt toe en de holle schil helpt de enzymen te concentreren. Ondertussen voorkomt de structuur van de gemeenschap dat er te veel cellen worden geboren. De cellen in de schaal verliezen de kans om zich voort te planten, maar hun DNA leeft hoe dan ook voort in de volgende generatie, aangezien alle cellen in de bol klonen zijn.
Hoe vaak komt meercelligheid voor?
Het werk is "een prachtig papier", volgens Jordy van Gestel, die de evolutie van microbiële ontwikkeling bestudeert aan het European Molecular Biology Laboratory en niet betrokken was bij het onderzoek. Van Gestel zegt dat de resultaten het idee versterken dat microbieel groepsleven de norm is, verre van een uitzondering te zijn.
"Het illustreert prachtig de complexiteit van de levenscyclus in zulke eenvoudige bacteriën," zei hij.
Anahit Penesian, een microbioloog aan de Macquarie University in Australië, zegt dat het werk van Schwartzman en Cordero een nuttige uitdaging biedt voor vooroordelen over bacteriën. "Het is gegrift in ons begrip dat een microbe slechts een enkele cel is", zei ze, en als gevolg daarvan zijn onderzoekers vaak niet op zoek naar complex gedrag dat het microbiële leven zou kunnen domineren. "Het is alsof je naar een plantzaad of -spore kijkt en probeert af te leiden hoe de hele plant eruitziet."
De nieuwe Vibrio bevinding draagt bij aan een groeiende lijst van microben die gedurende ten minste een deel van hun leven meercellig kunnen worden. Vorig jaar rapporteerden onderzoekers van het Georgia Institute of Technology dat eencellige gisten in hun laboratorium evolueerden enorme meercellige vorm in slechts twee jaar. En in oktober, onderzoekers in Japan hun ontdekking aangekondigd van bacteriën die uitgroeien tot meercellige structuren op de muren van grotten; wanneer de rotsen worden ondergedompeld door ondergrondse stromen, werpen de structuren gespecialiseerde cellen zoals zaden uit om andere locaties te koloniseren.
Schwartzman en van Gestel geloven allebei dat het vermogen tot meercelligheid zich vroeg in de geschiedenis van het leven heeft ontwikkeld en wordt gedeeld met de oude neven van bacteriën, de archaea, die ook eencellig lijken. Ze denken dat het slechts een kwestie van tijd is totdat onderzoekers andere soorten met vergelijkbare eigenschappen vinden - en Schwartzman is al begonnen met zoeken.
James Shapiro, een gepensioneerde microbioloog van de Universiteit van Chicago, twijfelt er niet aan dat ze het zal vinden.
Vanaf de jaren tachtig begonnen Shapiro en andere microbiologische beroemdheden zoals: Bonnie Bassler aan Princeton University toonde aan dat de eencellige levensstijl van goed bestudeerde bacteriën vaak een artefact was van de kunstmatige kolfomgevingen waarin ze werden gekweekt. In een 1998-artikel in de Jaaroverzicht van de microbiologie, Shapiro betoogde dat bacteriën geen eencellige eenlingen zijn. "Ik kwam tot de conclusie dat eigenlijk alle bacteriën meercellige organismen zijn," zei hij.
Tijdens zijn veertigjarige carrière zag Shapiro zijn hypothese transformeren van bijna ketters naar onweerlegbaar. "In het begin kreeg ik alleen maar verbijsterde aandacht, maar nu is het conventionele wijsheid geworden," zei hij. "Multicellulariteit is een inherente eigenschap van bacteriën."
Noot van de redactie: Cordero is mededirecteur van de Simons Collaboration on Principles of Microbial Ecosystems. Het onderzoek van Schwartzman, Cordero en hun collega's werd door die samenwerking ondersteund door de Simons Foundation, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift sponsort.
