1
Tot nu toe, tenminste. Lorenzo Talà, een promovendus in het lab van Alexandre Persat aan EPFL’s Institutes of Bioengineering and Global Health heeft een microscopie methode ontwikkeld die direct de structuren kan observeren die veel bacteriën gebruiken om te kruipen.
“Bacteriële oppervlakken zijn versierd met eiwit filamenten die betrokken zijn bij motiliteit, adhesie, signalering en pathogeniciteit, die uiteindelijk bepalen hoe bacteriën interageren met hun omgeving” zegt Talà. “Ze zijn echter zo klein dat het observeren ervan in levende cellen uiterst complex is. We hebben dus weinig kennis van hun dynamische activiteiten.”
Dit geldt met name voor structuren die bekend staan als “type IV pili”: nanometerbrede filamenten die uit het oppervlak van veel bacteriën steken en zich weer terugtrekken, waardoor ze zich voortbewegen op een manier die bekend staat als “stuiptrekkende beweeglijkheid”. De term klinkt misschien niet erg serieus, maar het activeert mechanisch virulentie in bepaalde ziekteverwekkers — wat betekent dat het een uitstekend doelwit is om ze te bestrijden.
De wetenschappers bestudeerden de bacterie Pseudomonas aeruginosa, een opportunistische ziekteverwekker die veel in de bodem wordt aangetroffen. Het is een van de meest medisch verontrustende bacteriën: een belangrijke oorzaak van ziekenhuisinfecties en van ernstige infecties bij taaislijmziekte, traumatische brandwonden en immuungecompromitteerde patiënten, en staat nu op de eerste plaats op de antibioticaresistente wachtlijst van de Wereldgezondheidsorganisatie.
Maar orkestreren afzonderlijke bacteriën de beweging van type IV pili om hun motiliteit aan te drijven? “In onze studies van type IV pili en mechanische activering van virulentie in Pseudomonas aeruginosa, is één technische paradox een bron van frustratie geweest: pili, maar ook fimbriae, flagella, en injectiesystemen strekken zich permanent uit buiten enkelvoudige cellen, dus waarom kunnen we ze niet direct visualiseren?”
Om dit te overwinnen, onderzochten de wetenschappers een opkomende microscopie-methode die werd gepionierd door hun medewerker Philipp Kukura aan de Universiteit van Oxford. Met behulp van een techniek die interferometrische verstrooiingsmicroscopie (iSCAT) wordt genoemd, konden zij deze nanometerbrede filamenten in levende cellen zien, zonder chemische labels, bij hoge snelheid en in drie dimensies.
“iSCAT vertegenwoordigt een belangrijke technologische vooruitgang in de microbiologie,” zegt Persat. “We hebben de visualisatietechniek onlangs beschreven en kregen uitgebreide positieve feedback van wetenschappers uit verschillende disciplines, simpelweg omdat we eindelijk pili dynamisch konden observeren in levende bacteriën, rechtstreeks uit de cultuur.”
Om de coördinatie van type IV pili bewegingen te begrijpen, richtten de wetenschappers zich op het nauwkeurig timen van de opeenvolging van oppervlaktehechting, terugtrekking en verplaatsingen van het cellichaam met behulp van iSCAT. De aanpak onthulde drie belangrijke gebeurtenissen die leiden tot succesvolle en energetisch efficiënte beweging over oppervlakken.
Ten eerste, contact van de pilustip met het oppervlak activeert een moleculaire motor die het terugtrekken initieert. Ten tweede versterkt deze terugtrekking de aanhechting van de pilus aan het oppervlak, waardoor de verplaatsing van de bacterie toeneemt. Tenslotte versterkt een tweede, sterkere moleculaire motor de verplaatsing van de bacterie onder hoge wrijving.
Deze sequentie toont aan dat pili fungeren als sensoren, en onthult een nieuw mechanisme waarmee bacteriën interageren met oppervlakken. Het onthult ook dat bacteriën sensorische mechanismen gebruiken om de dynamische beweging van hun motiliteitsmachines te coördineren, in een opvallende analogie met de manier waarop hogere organismen, waaronder de mens, hun ledematen bewegen om verplaatsing te genereren.
“Het menselijke centrale zenuwstelsel verwerkt mechanosensorische signalen om achtereenvolgens motorische componenten in te schakelen, waardoor spiersamentrekking in gang wordt gezet,” legt Talà uit. “Ons werk toont aan dat op dezelfde manier bacteriën een tastzin gebruiken om sequentieel moleculaire motoren in te schakelen, waardoor cycli van pili-uitbreiding en -intrekking worden gegenereerd die resulteren in een looppatroon.”