Door van een bacterie een lichtgevende snelheidsmeter te maken, ontdekten Amerikaanse onderzoekers een nieuw mechanisme waarmee bacteriën hun omgeving aanvoelen. Ze publiceerden hun bevindingen afgelopen week in Nature Microbiology.

De bacterie in kwestie, Pseudomonas aeruginosa, is een opportunistische ziekteverwekker die gedijt op vele plekken, bijvoorbeeld in mensen, rivieren en ziekenhuizen. Pseudomonas voelt zich het prettigst op plekken waar stromende vloeistoffen aanwezig zijn – zoals urinewegen of de bloedsomloop.

Galactische geesten
LEES OOK
Galactische geesten

Onderzoekers van de Princeton University hebben nu laten zien dat Pseudomonas-bacteriën niet alleen voorkomen op plaatsen met stroming, maar dat ze de stroomsnelheid ook meten en erop reageren. Dat doen ze op een manier die voorheen nog niet bekend was.

Stromingsgevoelig

De onderzoekers stelden de bacteriën bloot aan stroming. Daarna brachten ze in kaart welke genen actief werden. Zo konden ze zien of er een effect was van de stroming op de bacterie. Ze ontdekten dat een specifieke set genen, die ze de naam flow-regulated operon (fro) gaven, actief werd als reactie op de stroming.

Vervolgens koppelden de onderzoekers een lichtgevend gen aan de fro-genen. Op die manier maakten ze van de bacterie een lichtgevende snelheidsmeter. Ze zagen dat de bacteriën meer licht gaven als de snelheid van de stroming waaraan ze werden blootgesteld toenam, vergelijkbaar met een lichtdimmer: ‘the faster the flow, the brighter the glow’.

Schuifsnelheid

De onderzoekers bepaalden de stroomsnelheid door de schuifsnelheid (shear rate) van de vloeistof te meten. Dit is de snelheid waarmee aangrenzende lagen vloeistof langs elkaar bewegen.

Vloeistof stroomt aan het oppervlak van bijvoorbeeld een ader langzamer dan vloeistof verder weg van dat oppervlak. Dat komt doordat de laag verder van het oppervlak minder weerstand ondervindt. Er zijn dus meerdere ‘lagen’ van vloeistof, die niet allemaal in hetzelfde tempo stromen.

De schuifsnelheid wordt gemeten in de afstandsloze eenheid ‘per seconde’ (s-1), omdat de snelheid wordt weergegeven in verhouding tot de snelheid van het oppervlak. De stroomsnelheid waar de Pseudomonas-bacteriën op konden reageren, viel binnen een bereik van een snelheid van 40 tot 400 per seconde. Dit komt grotendeels overeen met de stroomsnelheden die in het menselijk lichaam voorkomen. Zo heeft een ader een schuifsnelheid van 100 per seconde en een slagader een schuifsnelheid van 650 per seconde.

Schuifsnelheid. Door verschillen in weerstand ontstaan er lagen in de vloeistof die op een andere snelheid stromen. De schuifsnelheid is de snelheid van de verschillende lagen vloeistof ten opzichte van elkaar, en wordt gemeten in per seconde.

Nieuw mechanisme

Doorgaans wordt aangenomen dat organismen een verandering in stroomsnelheid opmerken door een verschil in kracht. Als je bijvoorbeeld je hand uit het autoraam steekt, en de auto gaat harder rijden, dan neemt daardoor de kracht van de lucht op je hand toe, waardoor je ook weet dat de stroomsnelheid is toegenomen.

Deze link tussen stroming en kracht leek zo vanzelfsprekend, dat niet eerder werd getest of deze veronderstelling echt klopt. Ook de onderzoekers uit Princeton gingen er in eerste instantie van uit dat een gevoeligheid voor kracht de manier was waardoor de bacteriën op de stroomsnelheid konden reageren.

Howard’s experiment

Met een simpel experiment, bedacht door en vernoemd naar teamlid Howard Stone, testten de onderzoekers deze aanname. In het experiment van Howard stelden ze bacteriën bloot aan vloeistoffen met een verschillende dikte, of viscositeit, die wel op dezelfde snelheid stroomden.

Omdat honing is dikker dan water, voel je meer kracht door de druk van honing dan water als je deze over je hand giet, ook al is de snelheid hetzelfde. Door Pseudomonas aan vloeistoffen van verschillende dikte te onderwerpen, konden de onderzoekers zien of de activatie van de fro-genen afhankelijk was van kracht, of van de snelheid van de stroming. Ze bleken echter alleen te reageren op de schuifsnelheid, en niet op de kracht van de vloeistof.

De bacteriën gebruiken dus geheel nieuw detectiemechanisme om verschil in stroming aan te voelen, dat nog niet eerder werd waargenomen. De ontdekking betekent ook dat Pseudomonas één setje genen kan gebruiken om te reageren op de stroming van veel verschillende soorten vloeistof.

Gloeiende bacterie

Het lijkt nog te vroeg om over eventuele medische toepassingen van de gloeiende bacteriën te praten. ‘Daarvoor weten we nog te weinig’, aldus Ariane Briegel, hoogleraar ultrastructuurbiologie aan de Universiteit Leiden. ‘Dit onderzoek is erg spannend, maar het is pas het begin. Hoe werkt dit detectiemechanisme precies? Wat is het voordeel voor de bacterie? Hoeveel bacteriën kunnen op deze manier stroming meten, en hoe beïnvloedt het het ziekmakende vermogen? Er is nog erg veel te ontdekken.’