Cellen kabelbacteriën offeren zichzelf op
Cellen van kabelbacteriën blijken zichzelf op te offeren voor het belang van het organisme, zo toont een nieuwe NESSC-publicatie. De onderzoekers ontdekten dat de meercellige bacteriën, die elektriciteit kunnen opwekken, de opgewerkte energie niet gelijkmatig tussen de cellen verdelen. Sommige cellen genereren energie zodat de ‘kabel’ kan overleven, maar andere cellen zijn niet in staat genoeg energie te genereren en offeren zich op voor het algemeen belang van het organisme. Dit bijzondere ‘elektrische corvee’ is een nieuwe ontdekking binnen de biologie, en nooit eerder waargenomen in meercellige organismen.
“Deze ontdekking dwingt ons om ons begrip van meercelligheid te herzien,” zegt Nicole Geerlings, promovendus bij de Utrechtse faculteit Geowetenschappen, docent scheikunde aan Atheneum College Hageveld en hoofdauteur van het onderzoek. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht, waaronder NESSC-onderzoekers Jack Middelburg en Lubos Polerecky, Universiteit van Antwerpen en de TU Delft ontdekten dat de arbeidsverdeling tussen de cellen in een kabelbacterie een nieuwe altruïstische dimensie heeft.
“Normaal maakt elke cel zijn eigen energie, zelfs in complexe meercellige organismen zoals mensen,” legt prof. Filip Meysman van de Universiteit van Antwerpen uit. Elektronen worden verwijderd van een energierijke elektrondonor, en over het celmembraan naar een elektronacceptor getransporteerd. Dit wekt de energie op die nodig is voor de overleving, groei en deling van een cel. Kabelbacteriën wekken op geniale manier energie op, door de taken te verdelen tussen de cellen binnen een kabel.
Energieopwekkende bacteriën
Kabelbacteriën zijn centimeterlange micro-organismen bestaande uit duizenden opgestapelde cellen die samen een kabel – of filament – vormen. Deze meercellige bacteriën, pas sinds een aantal jaar bekend, gedragen zich als elektriciteitskabels. Vandaar ook de naam ‘kabelbacteriën’. De bacteriën zijn in staat om elektriciteit te geleiden over afstanden tot een aantal centimeterlange afstanden voor micro-organismen. Hiervoor gebruiken ze sulfide als elektrondonor en zuurstof als elektronacceptor. Het filament krijgt energie op het moment dat elektronen van een molecuul op de ene plek op het filament naar een molecuul op een andere plek op het filament worden getransporteerd.
Cellen in diepere lagen van de zeebodem verwijderen elektronen van sulfide, die dan door interne ‘elektriciteitskabels’ binnen het filament worden getransporteerd naar de bovenste lagen van de zeebodem. Hier geven andere cellen de elektronen weer af aan zuurstof. Cellen binnen een kabel zijn dus afhankelijk van elkaar en moeten samenwerken om de energie op te wekken die nodig is voor groei en celdeling. Door deze ‘elektrische stofwisseling’ hebben kabelbacteriën een enorm voordeel, aangezien ze hun energie kunnen halen vanuit de diepere lagen van de zeebodem.
Resultaten van het nieuwe onderzoek laten nu zien dat de energie de wordt opgewekt door de elektrische stofwisseling ongelijk gebruikt wordt door verschillende cellen binnen een kabel. Alleen de cellen die sulfide gebruiken, hebben genoeg energie om voedingsstoffen op te nemen uit de omgeving, en zo te groeien. De cellen die zuurstof gebruiken, hebben niet genoeg energie om voedingsstoffen op te nemen en kunnen dus niet groeien. Deze cellen offeren zichzelf op voor het algemeen belang van het organisme.
Schadelijk zuurstof
Kabelbacteriën zijn aan de ene kant afhankelijk van zuurstof, omdat het filament elektronen eraan kwijt moet raken. “Kabelbacteriën kunnen heel snel een heleboel elektronen kwijt aan zuurstof. Hierdoor zijn ze verantwoordelijk voor een groot deel van het zuurstofgebruik in de zeebodem,” vertelt dr. Cheryl Karman – zij verrichtte elektrochemische analyse op de kabelbacteriën. De aanwezigheid van zuurstof is essentieel voor de overleving van het filament. Op het moment dat de kabel niet in contact staan met zuurstof, transporteren ze geen elektronen meer, waardoor geen van de cellen energie krijgt.
Aan de andere kant is zuurstof schadelijk voor cellen; een te lange blootstelling aan zuurstof zorgt ervoor dat cellen sterven. Cellen die in contact staan met zuurstof doen dus eigenlijk een soort ‘corvee’ voor het filament. Deze cellen helpen de andere cellen in het filament, maar het nadeel is dat ze zelf niet genoeg energie kunnen opwekken voor overleving, en zo een grote kans hebben te sterven.
“Verrassend genoeg hebben alle cellen binnen het filament het vermogen om elektronen aan zuurstof te geven,” aldus prof. Meysman. Data uit het experiment laat zien dat wanneer de omgeving voor een cel verandert van sulfidisch naar oxisch, alle cellen onmiddellijk elektronen aan zuurstof gaan geven. Ze kunnen dus van rol wisselen wanneer de chemische omgeving verandert. Elke cel kan beide reacties uitvoeren, en geen van de cellen is gespecialiseerd in de ene of de andere reactie.
Op het moment is het nog onbekend of de cellen de ‘corvee’ uitvoeren tot het moment dat ze sterven, en dan vervangen worden door nieuwe cellen, of dat cellen binnen een filament regelmatig van rol verwisselen en elke cel dus maar tijdelijk corvee heeft.
“We dachten dat er wat fout was gegaan”
De ongelijke groei tussen verschillende cellen is ontdekt door de kabelbacteriën gelabelde voedingsstoffen te geven, en de opname hiervan te meten met nanoSIMS, een ion imaging techniek. “Door nanoSIMS kunnen we bijhouden welke cellen de gelabelde nutriënten hebben opgenomen, en dus konden groeien,” legt dr. Lubos Polerecky, assistent professor nanoSIMS analyse van Universiteit Utrecht, uit.
“Toen we voor de eerste keer zagen dat er geen nutriëntopname was in de cellen die in contact stonden met zuurstof, dachten we dat er wat fout was gegaan met het experiment. We voerden het opnieuw uit, met hetzelfde resultaat,” aldus Geerlings.
De cellen die in contact stonden met sulfide daarentegen, konden genoeg energie opwekken voor groei en celdeling, doordat ze veel voedingsstoffen opnamen. Hierdoor kwam het team tot de conclusie dat alleen de cellen met toegang tot sulfide genoeg energie konden opwekken om te groeien, en de cellen met toegang tot alleen zuurstof alleen maar elektronen transporteerden zonder daarbij energie bij op te wekken.
Publicatie:
Division of labour and growth during electrical cooperation in multicellular cable bacteria
Proceedings of National Academy of Sciences, 2020.
N.M.J. Geerlings, C. Karman, S. Trashin, K.S. As, M.V.M. Kienhuis, S. Hidalgo-Martinez, D. Vasquez-Cardenaz, H.T.S. Boschker, K. De Wael, J.J. Middelburg, L. Polerecky, F.J.R. Meysman.
doi: 10.1073/pnas.1916244117