Stichting FOM 14 juli 2010

Licht onthult de dynamica van het geheugen van een microbe

Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF, IBM en Harvard University zijn erin geslaagd om het moleculaire geheugen te karakteriseren dat de voortbeweging van bacteriën (de simpelste vorm van leven) controleert. Dat deden zij door optische berekeningen te combineren met theoretische modelleringen. De onderzoeksresultaten werden op 22 juni gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Molecular Systems Biology.
vergroten Figuur 1. Molecular view and modular view 'Molecular view' (upper panel) and 'modular view' (lower panel) of the signaling network controlling bacterial chemotaxis, the migratory behavior of cells towards favorable chemical environments.

In hun zoektocht naar betere omgevingen gaan microscopisch kleine levende organismen zoals bacteriën heel anders te werk dan macroscopische organismen zoals de mens. Zij verkennen hun lokale omgeving door langs vrij rechte paden te zwemmen (`runs' genaamd) die zo nu en dan worden onderbroken door korte perioden van chaotische heroriëntatie (`tumbles' genaamd). Om deze `random walk' een favoriete richting in te sturen, gebruiken ze een zintuiglijk netwerk van moleculen dat tijdens de beweging constant de omgeving van de cel aftast. Het maakt ook vergelijkingen tussen de huidige omgeving en de omgevingen die in het verleden zijn ervaren. Op deze manier worden ruimtelijke kenmerken van de omgeving ervaren gedurende de tijd, en het organisme moet de condities waarin het zich in het verleden bevond herinneren, en vergelijken met wat ze nu ervaren. Informatie over het verleden wordt opgeslagen in de vorm van chemische modificaties op receptoreiwitten die betrokken zijn bij het zintuiglijk waarnemen. Dit nieuwe onderzoek - een samenwerking tussen AMOLF-groepsleider Tom Shimizu, IBM's theoretisch natuurkundige Yuhai Tu, en Harvard University professor Howard C. Berg - heeft de dynamica van dit korte-termijn geheugen van de Escherichia coli bacterie aan het licht gebracht, door moleculaire interacties te meten op het moment dat ze gebeuren binnen levende cellen.

Met behulp van een fysisch proces genaamd Förster resonance energy transfer (FRET) werd de sterkte van de interacties tussen eiwitmoleculen in de `signaling pathway' gekwantificeerd. De belangrijkste gedachte hierachter is dat wanneer fluorescent-gelabelde moleculen dicht in de buurt van elkaar komen, ze energie kunnen uitwisselen. En deze uitwisseling van energie resulteert in meetbare verandering in uitgezonden licht. Door zorgvuldig een keuze te maken welke moleculen gelabeld moeten worden en hoe, kunnen FRET-experimenten zo ontworpen worden dat ze een breed scala aan moleculaire processen kunnen bestuderen, van de afstand tussen twee gelabelde sites op een enkele molecuul, tot een aantal wisselwerkende paren in een chemisch reagerende ensemble van moleculen. In het huidige onderzoek, hebben de auteurs FRET gemeten tussen een centraal eiwit van het netwerk (dat bekend staat als de 'response regulator') en een ander enzym dat zijn activiteit degradeert.

De eiwitmoleculen worden genetisch gelabeld, door het fuseren van de DNA-sequentie van de genen met die van `green fluorescent protein' (GFP) - een natuurlijk fluorescerend eiwit uit kwallen. GFP is een ideaal label voor FRET in levende cellen, maar het kan ook de functie van een gelabeld molecuul nadelig beïnvloeden. Eiwitfluorophores zoals GFP zijn nogal groot en log, dus het gebruiken hiervan als labels kan makkelijk de eigenschappen van het originele eiwit verstoren. Daarom kan het verkrijgen van GFP-gelabelde eiwitten die hun originele functie behouden al als een gelukstreffer beschouwd worden. Maar het verkrijgen van een paar dat geschikt is voor FRET vereist nog meer toeval en geluk, omdat het fysieke mechanisme vereist dat de gefuseerde GFP's heel dicht bij elkaar in de buurt komen (
In het nu gepubliceerde onderzoek heeft zorgvuldige analyse van een theoretisch model van het systeem de onderzoekers in staat gesteld om een FRET-paar te gebruiken om input-output relaties van verschillende functionele gedeeltes (of: modules) te meten van het pad. De onderzoekers produceerden verschillende `input waveforms'(zoals steps, ramps en sinusoids), een beetje zoals een elektricien elektrische circuits bestudeert. Dit werd mogelijk gemaakt door het moduleren van de concentratie stimulusmoleculen gedurende de tijd.

De resultaten bieden inzicht in niet alleen de moleculaire mechanismen in deze levende cellen, maar ook het functionele ontwerp van het zintuiglijke netwerk. In het bijzonder hebben de auteurs de manier waarop signalen versterkt worden door de 'receptor module' gekenmerkt, en ook de snelheid van chemische reacties binnen de 'adaptation module'. Samen bepalen deze modulen de gevoeligheid van de bacterie voor chemische gradiënten terwijl het ronddwaalt op zoek naar betere omgevingen.

Terwijl cellen - de bouwblokken van het leven - microscopisch klein zijn, laten ze bijzonder veel schijnbaar gevoelig gedrag zien. Het huidige onderzoek laat zien hoe experiment en theorie gecombineerd kunnen worden om de fysieke basis van dit soort gedrag op moleculair niveau te onthullen.

Referentie
"A modular gradient-sensing network for chemotaxis in Escherichia coli revealed by responses to time-varying stimuli", Thomas S. Shimizu, Yuhai Tu, and Howard C. Berg, Molecular Systems Biology 6:382 (2010).

Informatie
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: Dr. Tom Shimizu, FOM-instituut AMOLF, telefoon (020) 754 71 00