Speciale eiwitten regelen de vloeibaarheid van bacteriemembraan

Kort & bondig

Net als alle cellen hebben bacteriën een celmembraan, een soort huid. Deze membraan is actief en laat stoffen die naar binnen of naar buiten moeten door. Ook kan de celmembraan meegroeien met de cel. Een speciaal type eiwit met de naam flotilline lijkt heel belangrijk te zijn voor een goed werkende celmembraan. Tot voor kort dachten wetenschappers dat flotillines andere eiwitten helpen om goed te werken. Maar onderzoekers van de RUG hebben nu ontdekt dat flotillines een direct effect hebben op de structuur van de membraan: ze zorgen dat deze wat meer vloeibaar is. Deze kennis kan worden gebruikt om geneesmiddelen te ontwikkelen die bacteriën kunnen doden, of een manier te bedenken om de cellen beter te maken in het uitscheiden van nuttige stoffen.

Eiwitten in de celmembraan van bacteriën hebben belangrijke functies. Flotilline eiwitten zouden optreden als chaperonnes, die het ontstaan van functionele eiwitcomplexen in goede banen leiden. Microbiologen van de Rijksuniversiteit Groningen, samen met collega’s uit Duitsland en Frankrijk, hebben nu aangetoond dat flotillines de vloeibaarheid van de bacteriemembraan veranderen. Dit resultaat, dat belangrijk is voor de zoektocht naar nieuwe antibiotica of de ontwikkeling van cellulaire fabriekjes, is deze week gepubliceerd in het tijdschrift eLife.

Alle levende cellen zijn omsloten door een membraan, dat regelt welke stoffen de cel binnenkomen of uit gaan. Het is al lang bekend dat de membraan eukaryote cellen (cellen met een celkern) bestaat uit verschillende domeinen. Maar tot voor kort meenden microbiologen dat er in de membranen van bacteriën, die veel kleiner zijn dan eukaryote cellen, bijna geen verschillende domeinen zijn. ‘Pas tien jaar geleden werd het duidelijk dat dit soort functionele domeinen wel degelijk aanwezig zijn in bacteriële membranen’, aldus Dirk-Jan Scheffers, adjunct hoogleraar Moleculaire Microbiologie aan de RUG.

Vloeibaarheid

Een zo’n domein wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van een speciale klasse eiwitten, de flotillines. ‘Deze flotillines leken een rol te spelen bij de aanmaak van bouwstenen voor de bacteriële celwand. Ze controleren de positie en activiteit van eiwitten die daar bij betrokken zijn’, vertelt Scheffers. Zijn onderzoek richt zich al jaren op de productie van bouwstenen voor de celwand, dus vond hij de flotillines interessant. Een belangrijke theorie stelt dat deze eiwitten optreden als chaperonnes, ze zouden andere eiwitten in de celmembraan helpen om zich functionele complexen te vormen.

‘Maar sommige resultaten van ons leken dit idee tegen te spreken. Bovendien is het moeilijk voor te stellen dat één eiwit een heleboel andere eiwitten bij elkaar kan brengen. Hoe kan het een interactie hebben met al die eiwitten?’ Samen met collega’s uit Duitsland ontwikkelde Scheffers de hypothese dat flotillines niet werken als chaperonnes, maar door de vloeibaarheid van de membraan te beïnvloeden.

Celwand

Zij deden experimenten waaruit bleek dat snelgroeiende cellen van de staafvormige bacterie Bacillus subtilis niet in staat zijn hun vorm vast te houden zonder flotillines. Maar in de aanwezigheid van een chemische stof die de celmembraan meer vloeibaar maakt kunnen de snelgroeiende cellen zonder flotillines hun vorm wél bewaren. ‘Dit wijst op een fysisch-chemisch effect van de flotillines’, zegt Scheffers. Een direct effect van flotillines op de vloeibaarheid van de celmembraan is vervolgens bevestigd door Franse onderzoekers, die experimenten uitvoerden met kunstmatige membranen.

Maar hoe ontstaat dat effect van flotillines? Dat zal verder onderzoek moeten uitwijzen, en Scheffers heeft al wat ideeën. Aangezien de samenstelling van de fosfolipiden waaruit de membraan bestaat bepaalt hoe vloeibaar deze is, lijkt het mogelijk dat flotillines zich binden aan fosfolipiden die de vloeibaarheid juist doen afnemen. Dat zorgt ervoor dat de rest van de membraan meer vloeibaar wordt. Vloeibaarheid verklaart ook het effect dat flotillines hebben op de constructie van de celwand: bouwstenen voor de celwand worden binnenin de cel geproduceerd en ze moeten dus naar buiten worden gebracht. Dat gaat eenvoudiger door een meer vloeibare celmembraan.

Antibiotica

‘Alles bij elkaar laat dit zien dat ook bacteriën domeinen met specifieke functies in de membraan hebben, net als eukaryote cellen’, aldus Scheffers. ‘De rol van flotilline is om er voor te zorgen dat de membraan de juiste fysische structuur heeft om goed te werken.’ Als deze conclusie juist is heeft dat interessante gevolgen. Via de flotillines is het misschien mogelijk de fysische eigenschappen van de celwand te veranderen en zo de bacteriën te doden (wat interessant is voor onderzoek naar nieuwe antibiotica) of om de eiwituitscheiding via de membraan te vergroten (wat interessant is bij het ontwikkelen van bacteriële cel-fabriekjes). Scheffers: ‘De bacterie in ons onderzoek, Bacillus subtilis, wordt al veel gebruikt om nuttige eiwitten te produceren. En we denken dat het fysische mechanisme dat de vloeibaarheid van de membraan bepaalt universeel is in bacteriën.’

Het onderzoek is uitgevoerd door een internationaal team van wetenschappers. Het werk in Groningen is grotendeels gedaan door de eerste auteur, Dr Aleksandra Zielińska, in samenwerking met professor Marc Bramkamp en Abigail Savietto van de universiteit van Kiel (Duitsland).