Intrinsic timekeeping in Escherichia coli

De meeste levende wezens, van de kleinste eencellige organismen tot complexe dieren, bezitten een intern tijdsgevoel. Deze biologische klok stelt hen in staat om voorspelbare veranderingen in hun omgeving te anticiperen, zoals de opkomende zon of het afkoelen van de nachtelijke lucht, in plaats van er simpelweg op te reageren nadat ze hebben plaatsgevonden. Bij mensen en andere dieren coördineren deze klokken slaap, metabolisme en immuunfunctie, om ervoor te zorgen dat conflicterende activiteiten niet tegelijkertijd plaatsvinden. Decennialang geloofden wetenschappers dat dit vermogen om de tijd bij te houden beperkt was tot organismen met complexe zenuwstelsels of organismen die fotosynthese uitvoeren, zoals planten en bepaalde bacteriën die zonlicht oogsten. Niet-fotosynthetische bacteriën, die een groot deel van de microbiële wereld uitmaken, werden over het algemeen geacht dit interne tijdsmechanisme te missen en werkten in plaats daarvan op een eenvoudige, reactieve basis.

Een team van onderzoekers heeft nu ontdekt dat deze aanname onjuist is. Ze ontdekten dat Escherichia coli, een veelvoorkomende bacterie die vaak in de menselijke darm wordt aangetroffen, over een intrinsiek vermogen beschikt om de tijd bij te houden. Deze bacterie reageert niet alleen op zijn omgeving; hij kan een dagelijks ritme leren en dit zelfs blijven volgen wanneer de externe prikkels worden verwijderd. De studie onthult dat deze bacteriën een specifiek intern signaleringssysteem gebruiken om het verstrijken van de tijd bij te houden, waardoor ze zich kunnen voorbereiden op dagelijkse temperatuurveranderingen voordat deze plaatsvinden. Deze bevinding suggereert dat het vermogen om de toekomst te anticiperen veel wijdverbreider is in de microbiële wereld dan voorheen werd aangenomen, wat het langgevestigde beeld uitdaagt dat tijdwaarneming een eigenschap is die voorbehouden is aan complexere levensvormen.

De onderzoekers begonnen hun onderzoek door te observeren hoe E. coli zich gedraagt in een gecontroleerde omgeving. Ze kweekten de bacteriën in dunne, cirkelvormige kolonies op een speciale gel die een rode kleurstof bevatte. Deze kleurstof bindt aan een plakkerige substantie genaamd curli, die de bacteriën produceren om hen te helpen aan oppervlakken te hechten en beschermende gemeenschappen bekend als biofilms te vormen. De wetenschappers wisten dat de productie van curli gevoelig is voor temperatuur, dus plaatsten ze de bacteriële kolonies in een incubator die wisselde tussen twee temperaturen: een koelere 25,5 graden Celsius en een iets warmere 28,5 graden Celsius. Ze veranderden de temperatuur elke twaalf uur, waarbij ze een dag-nachtcyclus nabootsten.

Terwijl de bacteriën vanuit het centrum van de plaat naar buiten groeiden, lieten ze een zichtbaar verslag van hun activiteit achter. Wanneer de bacteriën curli produceerden, kleurde de rode kleurstof het gebied, wat een donkere ring creëerde. Wanneer ze stopten met de productie ervan, bleef de ring helder. Als de bacteriën simpelweg zouden reageren op de temperatuur, zouden de donkere ringen precies verschijnen wanneer de temperatuur veranderde. Echter, de onderzoekers observeerden iets anders. Over meerdere dagen begonnen de bacteriën hun gedrag te verschuiven. Ze begonnen de plakkerige curli-substantie ongeveer zes uur voordat de temperatuur gepland was te stijgen te produceren. Deze verschuiving van reageren naar anticiperen is een kenmerk van een echte biologische klok. De bacteriën hadden hun interne ritme gesynchroniseerd met de externe temperatuurcyclus en hadden effectief het schema geleerd.

Om te bewijzen dat dit ritme intern was en niet slechts een voortdurende reactie op de omgeving, voerden de wetenschappers een cruciale test uit. Na drie dagen van temperatuurwisseling lieten ze de bacteriën in een constante, onveranderlijke temperatuur. Als de bacteriën enkel zouden reageren op de hitte, zou het patroon van de ringen onmiddellijk moeten stoppen. In plaats daarvan produceerden de bacteriën de plakkerige substantie nog minstens drie dagen lang in een ritmisch patroon. Ze hielden een gestage beat van ongeveer vierentwintig uur aan, zelfs toen de externe wereld stilgevallen was. Dit fenomeen, bekend als een 'free-running rhythm', bevestigde dat de bacteriën draaiden op een interne timer die was ingesteld door de eerdere temperatuurveranderingen.

Het team onderzocht vervolgens hoe de bacteriën erin slaagden om twee tegenstrijdige gedragingen te coördineren: zich aan een oppervlak hechten en bewegen. Bacteriën gebruiken zweepachtige staartjes genaamd flagellen om naar gunstige omstandigheden te zwemmen, maar ze moeten stoppen met zwemmen en een plakkerig oppervlak bouwen om een stabiele gemeenschap te vormen. Deze twee activiteiten zijn wederzijds uitsluitend; een bacterie kan niet beide tegelijk doen. De onderzoekers ontdekten dat de bacteriën deze taken in de tijd van elkaar scheiden. Wanneer de bacteriën het meest actief waren in het produceren van de plakkerige curli voor adhesie, waren de genen die verantwoordelijk zijn voor het bouwen van de zwemmende flagellen stil. Omgekeerd, wanneer de bacteriën zich voorbereidden om te zwemmen, stopte de productie van de plakkerige substantie. Deze scheiding zorgde ervoor dat de bacteriën geen energie verspillen aan het tegelijkertijd uitvoeren van conflicterende taken, een strategie die vergelijkbaar is met hoe mensen 's nachts slapen en overdag actief zijn.

Om de machinerie achter deze klok te begrijpen, richtten de onderzoekers zich op de genetica. Ze keken naar een specifiek communicatiesysteem binnen de bacteriën genaamd de Rcs-fosforelay. Dit systeem werkt als een estafette, waarbij een chemisch signaal van de buitenrand van de cel naar het interne controlecentrum wordt doorgegeven om de bacteriën te vertellen wat ze moeten doen. Door bacteriën te creëren met defecte onderdelen van dit systeem, ontdekten de wetenschappers dat de Rcs-route essentieel was voor het functioneren van de klok. Zonder een specifiek onderdeel van deze estafette konden de bacteriën de temperatuurveranderingen nog wel waarnemen, maar verloren ze het vermogen om het ritme vast te houden zodra de temperatuur constant werd. Dit gaf aan dat het timingmechanisme zelf binnen deze signaleringsroute lag.

De studie onderzocht ook hoe de bacteriën het initiële signaal ontvingen om hun klok in te stellen. Ze identificeerden een apart systeem genaamd BluFR, dat fungeert als een sensor voor zowel blauw licht als lage temperaturen. Deze sensor voert informatie door aan de Rcs-relay. De onderzoekers ontdekten dat het BluFR-systeem de omgevingsveranderingen bijhield, maar het ritme niet op zichzelf kon vasthouden. In plaats daarvan fungeerde het als de input die de interne Rcs-klok synchroniseerde. In een opmerkelijke demonstratie toonden de wetenschappers aan dat ze de klok van de bacteriën konden resetten met enkel licht. Door de bacteriën bloot te stellen aan cycli van blauw licht en duisternis, konden ze dezelfde ritmische patronen van plakkerige substantieproductie induceren, wat bewees dat de bacteriën licht als een tijdsignaal konden gebruiken, net zoals ze temperatuur gebruikten.

Ten slotte vergeleken de onderzoekers de structuur van het bacteriële tijdsysteem met de bekende klokken die aanwezig zijn in fotosynthetische bacteriën, die de enige andere bacteriën zijn waarvan bekend is dat ze een gedefinieerde moleculaire klok hebben. Ondanks het ontbreken van een gedeelde genetische geschiedenis, leken de eiwitten in het timingmechanisme van E. coli in hun driedimensionale vorm verrassend veel op de eiwitten in de fotosynthetische klok. Beide systemen maken gebruik van een reeks chemische schakelaars en structurele domeinen om informatie te verwerken en een ritme te genereren. Dit suggereert dat de natuur mogelijk op dezelfde manier tot dezelfde oplossing is gekomen voor het bijhouden van de tijd, door vergelijkbare architecturale principes te gebruiken om het probleem van het anticiperen op dagelijkse cycli op te lossen.

Deze ontdekking hertekent ons begrip van het bacteriële leven. Het laat zien dat zelfs een eenvoudig organisme zoals E. coli een schema kan leren, kan onthouden en er vooraf op kan handelen. Het vermogen om omgevingsveranderingen te anticiperen biedt waarschijnlijk een overlevingsvoordeel, waardoor bacteriën zich kunnen voorbereiden op de uitdagingen van de dag voordat deze arriveren. Door de specifie{ke} genen en eiwitten te identificeren die verantwoordelijk zijn voor deze tijdwaarneming, hebben de onderzoekers een nieuwe deur geopend voor het begrijpen van hoe bacteriën hun gedrag coördineren. Deze kennis zou uiteindelijk wetenschappers kunnen helpen om te voorspellen hoe bacteriën op hun omgeving reageren, wat potentieel kan leiden tot nieuwe manieren om bacteriële groei in de geneeskunde en industrie te beheersen. De studie bevestigt dat het vermogen om de tijd bij te houden een fundamentele en wijdverspreide eigenschap is in de levende wereld, die veel verder reikt dan de complexe organismen die we dagelijks zien.