Cultivation-dependent effects of quorum sensing signals on a lactic acid and chain-elongating bacterium
Deze studie onthult dat de effecten van quorum sensing-signalen op melkzuur- en ketenverlengende bacteriën sterk afhankelijk zijn van het specifieke signaal, het substraat en de kweekcontext, wat aantoont dat reacties in zuivere culturen vaak niet in staat zijn om het gedrag in microbiële consortia die relevant zijn voor circulaire biomanufacturing te voorspellen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
In de verborgen wereld van het microscopische leven bestaan bacteriën niet als geïsoleerde individuen. In plaats daarvan leven ze in bruisende gemeenschappen waar ze voortdurend chemische boodschappen uitwisselen om hun gedrag te coördineren. Deze taal, bekend als quorum sensing, stelt bacteriën in staat om te voelen hoeveel buren aanwezig zijn en om als een verenigde groep op te treden. Wanneer een populatie een bepaalde dichtheid bereikt, triggeren deze chemische signalen veranderingen die onder meer het bouwen van beschermende slijmlagen, het vrijgeven van toxines of het aanpassen van de manier waarop ze voedsel consumeren kunnen omvatten. Hoewel wetenschappers al lang begrijpen hoe deze communicatie werkt bij ziekteverwekkende bacteriën, is er veel minder bekend over hoe het functioneert in de complexe, gemengde gemeenschappen die organisch afval omzetten in nuttige brandstoffen en chemicaliën. Een dergelijk veelbelovend proces wordt ketenverlenging (chain elongation) genoemd, waarbij specifieke bacteriën samenwerken om eenvoudige organische zuren om te zetten in langere, meer waardevolle moleculen. De regels die bepalen hoe deze verschillende bacteriegroepen met elkaar praten, blijven echter een mysterie, waardoor onderzoekers er niet zeker van weten of het toevoegen van chemische signalen het proces kan helpen of juist hinderen.
Om dit te onderzoeken, zetten een team onderzoekers van de Gentse Universiteit en de University of Queensland een experiment op om te testen hoe twee belangrijke typen bacteriën reageren op deze chemische boodschappen. Ze kozen voor Lactiplantibacillus plantarum, een veelvoorkomende melkzuurbacterie, en Megasphaera elsdenii, een ketenverlengende bacterie die kan leven van de zuren die door de eerste wordt geproduceerd. De wetenschappers wilden zien of het van buitenaf toevoegen van specifieke quorum-sensing moleculen de groei, de manier waarop ze aan oppervlakken plakken om biofilmen te vormen en de chemicaliën die ze produceren, zou veranderen. Ze testten een verscheidenheid aan signalen, waaronder verschillende lengtes van acyl-homoserine lactonen, een molecuul genaamd indol en andere stoffen, eerst in isolatie en daarna wanneer de twee bacteriën samen werden gekweekt.
Toen de onderzoekers elke bacterie alleen in kleine petrischaaltjes kweekten, waren de resultaten duidelijk en gevarieerd. De melkzuurbacterie reageerde op verschillende toegevoegde signalen door iets sneller te groeien, hoewel het niet meer van zijn belangrijkste product, melkzuur, produceerde. Interessant genoeg zorgden sommige van deze signalen ervoor dat de bacteriën minder goed aan het plastic oppervlak van de container plakten, wat suggereert dat de chemicaliën de interactie van de cellen met hun omgeving veranderden. De ketenverlengende bacterie vertoonde een nog complexere reactie die volledig afhankelijk was van wat hij at. Wanneer deze werd gevoed met eenvoudige suikers, hadden de toegevoegde signalen weinig effect. Echter, wanneer de onderzoekers de vloeibare restanten voerden die overbleven nadat de melkzuurbacterie had gegeten, zorgden bijna alle toegevoegde signalen ervoor dat de ketenverlengende bacterie aanzienlijk sneller groeide. In deze condities met gemengd voedsel veranderden de bacteriën ook hun gedrag door een dikkere, kleverige biofilmlaag te vormen. Ondanks deze veranderingen in groei en plakgedrag bleven de soorten chemicaliën die de bacteriën produceerden grotendeels hetzelfde, wat aangeeft dat de signalen de fysieke staat van de bacteriën veranderden zonder hun metabole instructies te herschrijven.
Het verhaal veranderde volledig toen de onderzoekers de twee bacteriën samen in dezelfde container kweekten, om een natuurlijkere gemeenschap na te bootsen. Hier verdwenen de dramatische effecten die in de geïsoleerde tests waren gezien. Of de wetenschappers nu de signalen toevoegden die de groei in de enkelvoudige culturen hadden gestimuleerd, of die de biofilmvorming hadden veranderd, de gemengde gemeenschap vertoonde geen significante reactie. De bacteriën groeiden met dezelfde snelheid, vormden evenveel biofilm en produceerden dezelfde mix van chemicaliën als wanneer er geen signalen waren toegevoegd. Deze gebrek aan reactie hield stand, zelfs toen het team het experiment verplaatste van kleine plastic schalen naar grotere glazen flessen, die een andere omgeving boden en meer gedetailleerde bemonstering in de loop van de tijd mogelijk maakten. De onderzoekers controleerden ook of één bacterie simpelweg de signalen van de andere bacterie vernietigde, een fenomeen dat bekend staat als quorum quenching, maar stelden vast dat de gecombineerde gemeenschap de signalen niet meer afbrak dan de individuele bacteriën op zichzelf deden.
De studie concludeert dat hoewel deze bacteriën duidelijk in staat zijn om chemische signalen waar te nemen en erop te reageren wanneer ze alleen zijn, die reacties niet betrouwbaar voorspellen hoe ze zullen gedragen in een gemengde gemeenschap. De aanwezigheid van een partnerorganisme, de specifieke beschikbare voeding en de fysieke condities van de container lijken de invloed van de toegevoegde signalen allemaal te overstemmen. Deze bevinding suggereert dat wetenschappers niet simpelweg kunnen kijken naar hoe een enkele bacterie op een signaal reageert en ervan kunnen uitgaan dat hetzelfde zal gebeuren in een complex industrieel proces. Om de microbiële communicatie in deze waardevolle systemen voor de omzetting van afval naar brandstof echt te begrijpen, moeten onderzoekers de bacteriën bestuderen onder exact dezelfde condities waarin ze uiteindelijk zullen werken, in plaats van te vertrouwen op vereenvoudigde tests met één enkele soort.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.