Onderzoekers hebben een nieuw moleculair mechanisme onthuld waardoor bacteriën zich hechten aan cellulosevezels in de menselijke darm. Dankzij twee verschillende bindmodi zijn ze bestand tegen de schuifkrachten in het lichaam. Wetenschappers van de Universiteit van Basel en ETH Zürich publiceerden hun resultaten in het tijdschrift “Nature Communications”.
Cellulose is een belangrijke bouwsteen van plantencelwanden, bestaande uit moleculen die met elkaar zijn verbonden tot vaste vezels. Voor mensen is cellulose onverteerbaar en de meeste darmbacteriën missen de enzymen die nodig zijn om cellulose af te breken.
Recentelijk werd echter genetisch materiaal van de cellulose-afbrekende bacterie R. champanellensis gedetecteerd in menselijke darmmonsters. Bacteriële kolonisatie van de darm is essentieel voor de menselijke fysiologie, en het begrijpen hoe darmbacteriën zich aan cellulose hechten, verbreedt onze kennis van het microbioom en zijn relatie tot de menselijke gezondheid.
De bacterie die wordt onderzocht, gebruikt een ingewikkeld netwerk van steigerproteïnen en enzymen op de buitenste celwand, ook wel een cellulosoomnetwerk genoemd, om cellulosevezels te hechten en af te breken. Deze cellulosoomnetwerken worden bij elkaar gehouden door families van op elkaar inwerkende eiwitten.
Van bijzonder belang is de cohesin-dockerin-interactie die verantwoordelijk is voor het verankeren van het cellulosoomnetwerk aan de celwand. Deze interactie moet bestand zijn tegen afschuifkrachten in het lichaam om zich aan vezels te hechten. Dit essentiële kenmerk motiveerde de onderzoekers om meer in detail te onderzoeken hoe het verankeringscomplex reageert op mechanische krachten.
Door een combinatie van atomaire-krachtmicroscopie met één molecuul, fluorescentie van één molecuul en moleculaire dynamica-simulaties te gebruiken, heeft professor Michael Nash van de Universiteit van Basel en ETH Zürich, samen met medewerkers van LMU München en Auburn University, onderzocht hoe het complex weerstand biedt aan externe krachten.
Twee bindmodi zorgen ervoor dat bacteriën onder stroming aan oppervlakken kunnen hechten
Ze waren in staat om aan te tonen dat het complex een zeldzaam gedrag vertoont dat de zogenaamde dubbele bindingsmodus wordt genoemd, waarbij de eiwitten op twee verschillende manieren een complex vormen. De onderzoekers ontdekten dat de twee bindingsmodi zeer verschillende mechanische eigenschappen hebben, waarbij de ene breekt bij lage krachten van ongeveer 200 piconewton en de andere een veel hogere stabiliteit vertoont die alleen breekt bij 600 piconewtons kracht.
Verdere analyse toonde aan dat het eiwitcomplex een gedrag vertoont dat een “catch bond” wordt genoemd, wat betekent dat de eiwitinteractie sterker wordt naarmate de kracht toeneemt. Aangenomen wordt dat de dynamiek van deze interactie de bacteriën in staat stelt zich onder schuifspanning aan cellulose te hechten en het complex vrij te geven als reactie op nieuwe substraten of om nieuwe omgevingen te verkennen.
“We zien duidelijk de dubbele bindingsmodi, maar kunnen alleen speculeren over hun biologische betekenis. We denken dat de bacteriën de voorkeur van de bindingsmodus kunnen regelen door de eiwitten te modificeren. Dit zou het mogelijk maken om van een lage naar een hoge hechtingstoestand over te schakelen, afhankelijk van de omgeving ”, legt professor Nash uit.
Door licht te werpen op dit natuurlijke adhesiemechanisme, vormden deze bevindingen de weg voor de ontwikkeling van kunstmatige moleculaire mechanismen die vergelijkbaar gedrag vertonen maar zich binden aan ziektedoelwitten. Dergelijke materialen zouden toepassingen kunnen hebben in biobased medische superlijmen of door schuifkracht versterkte binding van therapeutische nanodeeltjes in het lichaam. “Voorlopig zijn we verheugd om terug te keren naar het laboratorium en te zien wat blijft hangen”, zegt Nash.
Studie: Zhaowei Liu, Haipei Liu, Andrés M. Vera, Rafael C. Bernardi, Philip Tinnefeld, Michael A. Nash
High Force Catch Bond Mechanism of Bacterial Adhesion in the Human Gut
Nature Communications (2020), doi: 10.1038/s41467-020-18063-x