een van de eerste dingen die je leert in de bacteriologie is dat bacteriën in verschillende vormen komen. Niet een enorme waaier van vormen toegegeven, maar de belangrijkste vormen zijn bolvormig, staafvormig, of spiraal. De sferische bacteriën zijn zinvol aangezien een gebied een vrij eenvoudige vorm is om in te groeien en de kettingen of Kolonies van bacteriën hen toestaan om in hun milieu uit te spreiden. Ook een staaf is een goede vorm voor bacteriën die veel bewegen, waardoor ze meer voortstuwing door overvolle ruimtes (en als je klein genoeg bent om op dezelfde schaal als grote moleculen te zijn, is elke ruimte overvol).

maar waarom spiralen? Welke voordelen halen bacteriën uit de vorm van een kurkentrekker?

Ik was dan ook heel enthousiast om twee recente artikelen in PLOS pathogenen te zien die beide dit probleem behandelden. De ene betrof de bacterie campylobacter jejuni (die bacteriële diarree veroorzaakt) en de andere was op helicobacter pylori (de bacterie die maagzweren veroorzaakt, waarover ik eerder heb geschreven). In beide gevallen kan de spiraalvormige vorm door vrij eenvoudige gen knockouts worden vernietigd, en in beide bacteriën resulteerde het verlies van de spiraalvormige vorm in een afname van virulentie en het vermogen van de bacteriën om binnen een lichaam te functioneren.

te beginnen met c. jejuni, waar ik een zwak voor heb omdat ik ermee werkte toen ik bacteriofagen bestudeerde.

dus allereerst, hoe de spiraalvorm van de bacteriën te verwijderen. Onderzoekers in referentie 1 vonden één gen, dat zij pgp1 (peptidoglycaanpeptidase 1) noemden, die wanneer geschrapt de bacteriën van een nette kleine spiraal in een saaie staafvorm verandert. Zoals zijn naam pgp1 handelingen op peptidoglycan voorstelt, die een belangrijke component van de bacteriële celwand is. Wanneer verwijderd, zijn de resulterende staafvormige bacteriën drie keer erger bij het koloniseren van kuikens (C. jejuni is ook een belangrijke oorzaak van ziekten bij kippen) en zijn ook slecht in het vormen van biofilms en in het algemeen bewegen rond. Figuur 1 in de referentie bevat een aantal uitstekende foto ‘ s van de spiraalbacteriën en de droevige staafvormige mutanten.

Er waren geen verschillen tussen normale c. jejuni en pgp1 mutanten wat betreft groei, stressoverleving of algemeen leven op voedingsagar; de spiraalvorm lijkt alleen een effect te hebben op factoren die belangrijk zijn voor virulentie en overleving in een lichaam. De onderzoekers maakten ook mutanten die de pgp1 overexpresseerden en vonden dat ook dit een richtend effect had op de cellen (nogmaals, mooie bacteriën foto ‘ s in figuur 3). Toen ze het pgp1 gen namen en het in een normaal staafvormige bacterie (E. coli) brachten, was er geen verandering in vorm. Het kurkentrekker-effect dat pgp1 produceert is alleen aanwezig als het gen zich in C. jejuni bevindt en op de juiste niveaus wordt uitgedrukt, wat jammer is omdat spiraalvormige E. coli cool zou zijn.

de spiraalvorm in C. jejuni lijkt dus gecontroleerd te worden door één belangrijk gen (waarschijnlijk met behulp van een paar anderen) en is belangrijk voor de pathogeniteit. En H. pylori?

In h. pylori is het verhaal iets anders. Eerder onderzoek naar bacteriën die hun spiraalvormige draai had verloren (hoewel ze nog steeds een licht gebogen vorm behouden, houd die gedachte) toonde geen verschil in beweging of zwemmmotiliteit. H. pylori leven in het slijmvlies van de maag, en men dacht dat de spiraalvormige vorm zou het duwen door dit viskeuze materiaal gemakkelijker. De minder kronkelige bacteriën vertoonden nog steeds een verschil in kolonisatie – de twisted wildtype bacteriën hadden veel meer kans om de maagwand te koloniseren dan de rechter mutanten.

In referentie 2 vond men een nieuw gen (csd4) dat betrokken was bij de kromme vorm van de bacterie, dat de oorspronkelijke niet-draaiende mutanten nog steeds behielden. Het blijkt dat als je dit gen uit de niet-kronkelige mutanten knock-out de bacteriën verliezen alle sporen van curve of kronkeligheid en beweging door viskeuze oplossingen die de maagwand nabootsen is een stuk moeilijker. In tegenstelling tot C. jejuni hebben de H. pylori daarom twee genetische mechanismen die de spiraalvormige vorm veroorzaken. Een gen dat de spiraalvormige draai veroorzaakt door beetjes van de celwand te crosslinken en een ander (csd4 geà dentificeerd in referentie 2) dat onafhankelijk het buigen van de cel induceert. Deze twee mechanismen lijken ook volledig onafhankelijk te zijn, en beide dragen bij tot verhoging van de draaiing van de cel.

dus terwijl C. jejuni één gen heeft dat verantwoordelijk is voor de spiraalvorm en verhoogde virulentie, heeft H. pylori er twee. Daar kunnen milieuredenen voor zijn (C. jejuni kan overleven in een groter scala van hosts) maar als ze zijn nogal ongerelateerde bacteriën is misschien gewoon dat de spiraalvorm heeft bestaan voor langer in H. pylori die heeft opgepikt meer dan één mechanisme om het te produceren (en als iemand zich bewust is van meer redenen, mail me en laat het me weten!). Wat duidelijk is, is dat bacteriën zeer stevige redenen hebben om de vormen te zijn die ze zijn, en die vormen zijn niet alleen beperkt tot bolvormige blobs.

Credit link for image 1 (bacterial shapes)

Credit link for image 2 (campylobacter)

Credit link for image 3 (helicobacter)

referentie 1: Frirdich E, Biboy J, Adams C, Lee J, Ellermeier J, Gielda LD, Dirita VJ, Girardin SE, Vollmer W,& Gaynor EC (2012). Peptidoglycaanmodificerend enzym Pgp1 is vereist voor spiraalvormige celvorm en pathogeniteitskenmerken in Campylobacter jejuni. PLoS pathogenen, 8 (3) PMID: 22457624