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