Two actinobacterial G protein systems control multicellular mycelial growth and morphology in Streptomyces venezuelae

Bacteriën worden vaak voorgesteld als eenzame dwalers, enkelvoudige cellen die door hun omgeving drijven en op zichzelf delen. Toch leven veel bacteriën als uitgestrekte, coöperatieve gemeenschappen, die ingewikkelde netwerken vormen die lijken op de wortels van een plant of de draden van een spinnenweb. Tot deze groep behoren de streptomyceten, een groep bodembewonende bacteriën die groeien als lange, vertakkende filamenten die hyfen worden genoemd. Deze filamenten weven samen om een meercellige mycelium te creëren, een levend net dat de bodem afzoekt naar voedingsstoffen. Voor de functie van dit netwerk moeten de individuele filamenten hun groei coördineren. Ze moeten weten waar ze zich moeten uitbreiden, wanneer ze moeten vertakken en, cruciaal, hoe ze elkaar kunnen vermijden op een manier die een verstrengelde, inefficiënte bende creëert. Deze coördinatie vereist een geavanceerd intern communicatiesysteem, een manier voor de cellen om hun buren waar te nemen en hun vorm en richting dienovereenkomstig aan te passen.

In de bodem, waar voedsel vaak schaars en ongelijkmatig verdeeld is, is het vermogen om een meercellig netwerk efficiënt te organiseren een kwestie van overleven. Als de filamenten willekeurig groeien, kunnen ze elkaar verdringen, energie verspillen en er niet in slagen het terrein effectief te bestrijken. Wetenschappers weten al lang dat bacteriën chemische signalen gebruiken om met elkaar te communiceren, maar de specifieke mechanismen die een netwerk van filamenten in staat stellen om een schone, georganiseerde structuur te behouden terwijl ze over een oppervlak groeien, bleven een mysterie. Recent onderzoek heeft de aandacht gericht op een unieke set genetische instrumenten die in deze bacteriën worden gevonden, bekend als G-proteïnesystemen. Dit zijn moleculaire machines die fungeren als schakelaars, die genen aan- of uitzetten in reactie op de omgeving. In de specifieke bacterie Streptomyces venezuelae zijn acht verschillende versies van deze systemen, maar tot nu toe wist niemand precies wat de meeste van hen deden of hoe ze de bacteriën hielpen bij het bouwen van hun complexe, meercellige thuis.

Een team van onderzoekers aan de Lund Universiteit in Zweden zette zich in om dit puzzelstukje op te lossen door elk van deze acht genetische systemen, één voor één, systematisch te verwijderen om te zien wat er met de bacteriën gebeurde. Ze kweekten de gemodificeerde bacteriën op verschillende soorten voedsel, variërend van rijke, nutriëntenrijke gels tot zeer arme, minimale oppervlakken die de barre omstandigheden van de bodem nabootsen. Wat ze ontdekten was dat twee van deze systemen, die samenwerken, optreden als de architecten van het bacterieel netwerk. Wanneer de onderzoekers beide specifieke systemen verwijderden, verloren de bacteriën hun vermogen om zichzelf te organiseren. In plaats van zich uit te spreiden in een nette, even even vlakte waar elk filament zijn eigen ruimte heeft, begonnen de gemuteerde bacteriën samen te klonteren. Hun filamenten bleven aan elkaar plakken en vormden dikke, touwachtige bundels die leken op een verstrengelde bol wol in plaats van een delicaat web.

Dit klontergedrag was niet alleen een kwestie van de bacteriën die per ongeluk aan elkaar bleven plakken. De onderzoekers observeerden dat de gemuteerde filamenten in rechte, stijve lijnen groeiden, terwijl de wildtype-bacteriën in zachte, kronkelende bochten groeiden. De wildtype-bacteriën leken actief hun buren te vermijden, waarbij ze in de lege ruimtes tussen andere filamenten groeiden om het oppervlak gelijkmatig te bestrijken. Dit "zelfvermijdingsgedrag" stelde hen in staat om het beschikbare voedsel efficiënter te verkennen. De mutanten, die de twee cruciale genetische systemen misten, verloren dit vermogen. Ze groeiden recht en bleven plakken aan alles wat in de buurt was, inclus incluyendo andere mutant-filamenten en zelfs de wildtype-filamenten waarmee ze naast elkaar werden gekweekt. De onderzoekers testten of de bacteriën onzichtbare chemicaliën in de lucht of het water afgaven die dit plakken veroorzaakten, maar ze vonden geen bewijs van dergelijke signalen. In plaats daarvan leek het probleem intrinsiek aan de gemuteerde cellen zelf te liggen; hun oppervlakken waren veranderd, waardoor ze plakkerig waren geworden en de neiging hadden om te klonteren.

Door te kijken naar de genen die actief waren in de gemuteerde bacteriën, ontdekten de wetenschappers waarom dit gebeurde. De mutanten hadden het volume opgevoerd van een grote groep genen die verantwoordelijk zijn voor de bouw van de celwand en de productie van suikerachtige coatings aan de buitenkant van de cel. Deze overproductie van oppervlaktematerialen maakte de filamenten waarschijnlijk plakkerig, waardoor ze aan elkaar hechtten. Echter, het verhaal eindigde niet bij het microscopische klonteren. De onderzoekers merkten ook op dat de mutanten op een grotere schaal anders gedrag vertoonden. Terwijl de wildtype-bacteriën zich zouden verspreiden in een dunne, kaal lijkende film over het oppervlak van de schaal — een gedrag dat exploratieve groei wordt genoemd — slaagden de mutanten hier niet in. In plaats daarvan vormden ze dichte, pluizige kolonies die eruit zagen alsof ze probeerden om omhoog in de lucht te groeien, zelfs wanneer de omstandigheden daar niet voor geschikt waren.

Om te begrijpen waarom de mutanten niet slaagden in hun exploratie, zochten de onderzoekers naar bacteriën die het probleem spontaan hadden opgelost. Ze vonden dat sommige van de gemuteerde bacteriën nieuwe mutaties hadden verworven die hen in staat stelden om zich weer uit te spreiden, bijna als het wildtype. Wanneer ze de DNA van deze "suppressor"-bacteriën analyseerden, ontdekten ze dat de oplossing vaak gepaard ging met veranderingen aan een andere set genen die een chemisch signaal controleren dat bekend staat als cyclisch-di-GMP. Dit signaal is een meesterregulator die de bacteriën vertelt wanneer ze moeten stoppen met groeien en moeten beginnen met het vormen van sporen. De onderzoekers concludeerden dat de oorspronkelijke mutanten te snel groeiden en te vroeg volwassen werden. Omdat ze haast hadden met het vormen van sporen, namen ze nooit de tijd om zich goed uit te spreiden en het oppervlak te verkennen. De twee genetische systemen die zij hadden verwijderd, fungeerden als een rem, die de bacteriën in een vegetatieve, groeiende staat hielden lang genoeg om een goed netwerk op te bouwen.

De studie onthulde dat deze twee genetische systemen twee duidelijke taken hebben die verrassend gescheiden zijn. Eén taak is het controleren van de fysieke vorm van de filamenten en het voorkomen dat ze aan elkaar plakken, wat ervoor zorgt dat het netwerk open en georganiseerd blijft. De andere taak is het voorkomen dat de bacteriën te snel volwassen worden, waardoor ze de omgeving volledig kunnen verkennen. De onderzoekers toonden aan dat ze het exploratieprobleem konden oplossen door de maturatiesignalen te veranderen, maar dat dit het klonterprobleem niet oploste. De filamenten bleven aan elkaar plakken, zelfs wanneer de bacteriën langer werden toegestaan om te groeien. Dit betekent dat de manier waarop de bacteriën hun vorm opbouwen en de manier waarop ze beslissen wanneer ze groeien of rijpen, door verschillende paden worden beheerd, ook al worden beide beheerd door dezelfde set genetische systemen.

Dit werk biedt een helder beeld van hoe een eenvoudige bacterie de complexe taak beheert van het leven als een meercellige gemeenschap. Het laat zien dat de bacteriën niet zomaar willekeurig groeien; ze gebruiken specifieke genetische instrumenten om hun omgeving waar te nemen, hun vorm aan te passen en te coördineren met hun buren. Zonder deze instrumenten stort het netwerk in tot een verstrengelde bende, en faalt de kolonie in het verkennen van haar omgeving effectief. De bevindingen suggereren dat het vermogen om een schone, georganiseerde structuur te behouden net zo belangrijk is voor het overleven van bacteriën als het vermogen om voedsel te vinden. Door deze mechanismen te begrijpen, kunnen wetenschappers beginnen te zien hoe deze oeroude organismen hebben geëvolueerd om te gedijen in de complexe, competitieve wereld van de bodem, waarbij ze ingewikkelde steden van filamenten bouwen die veel georganiseerder zijn dan men voorheen had gerealiseerd.