Wetenschap
Ontneem een bacterie zijn celwand en er ontstaat een bizarre levensvorm: de barbapapabacteriën komen
Ontneem een bacterie zijn celwand, en er ontstaat een bizarre levensvorm die door de kleinste kiertjes kan, de vreemdste vormen aanneemt en uitdijt als bubbeltjesschuim. Is dit soms de reden waarom sommige infecties zo moeilijk te bestrijden zijn?
In een kleine, vierkante microscoopkamer aan de TU Delft spreidt Aleksandre Japaridze zijn armen en zegt: “Het is eigenlijk simpel. Als ik je onbeperkt kon laten groeien, zou je op een gegeven moment deze hele kamer vullen en kubusvormig zijn. Zo kan ik je in elke vorm laten groeien die ik wil, afhankelijk van de ruimte waarin ik je zet.”
En uitdijen, dat doen de levende wezens waarmee de Delftse postdoc werkt. Alleen zijn die wezens geen journalisten, maar bacteriën, kleine korreltjes en staafjes leven die per stuk tientallen keren kleiner zijn dan een mensenhaar dik is. Van het soort Escherichia coli, de darmbewonende bacterie die door de tijd heen is uitgegroeid tot de laboratoriumrat onder de bacillen. Strakke, aan de uiteinden afgeronde staafjes, normaal gesproken:
Maar dat was voordat Japaridze met biochemische stoffen het stevige vezelskelet ontregelde dat hem in vorm houdt en hem veranderde in een kleine Barbapapa. “Het zijn floppy dingen. Slappe ballonnen die in alle richtingen uitdijen”, schetst Japaridzes baas, hoogleraar biofysica Cees Dekker. “En toch blijven ze gewoon leven. Fascinerend!”
Al eerder liet Dekkers groep de bacteriën door een minuscuul kiertje kruipen, alsof je een volwassen vent onder de deur door laat glibberen. Ook stopte hij ze in een soort cakevormpjes waar ze de letters T U R I N G aannamen, naar de Britse wiskundige Alan Turing die bijdroeg aan de wiskunde achter de celdeling. “Bacteriesculpturen”, kwam dat te heten – speelse marketing van zijn onderzoek is Dekker niet vreemd:
Wat Dekker en Japaridze hebben gemaakt is een geheimzinnige, bizarre zijnsvorm van leven die steeds meer in de belangstelling staat. Een wezen dat misschien verklaart waarom sommige infecties zo hardnekkig zijn, en waarom bacteriën soms zomaar in het niets lijken te verdwijnen om vervolgens heel ergens anders weer op te duiken. Een ‘L-vorm’, zeggen kenners. Niet omdat je de barbapapa’s in een L kunt leggen – of vooruit, dat kan ook – maar naar het Lister-instituut in Londen, waar de Duitse Joodse microbioloog Emmy Klieneberger-Nobel ze al in 1935 voor het eerst beschreef.
Een maffe, zeldzame uitspatting van de natuur, dachten microbiologen vroeger. “Bacteriën zijn goed in het verzinnen van oplossingen voor problemen”, zegt celbioloog Tanneke den Blaauwen (UvA). “En hun celwand verliezen en steeds idiotere vormen aannemen is hun oplossing tegen penicilline.” Veel antibiotica doden bacteriën namelijk door hun celwand te slopen. De L-vorm is dan een soort laatste stuiptrekking: onder normale omstandigheden zal een bacterie zonder celwand zich volzuigen met water, totdat hij knapt. “Ze blijven alleen bestaan als je ze osmotisch beschermt”, zegt Den Blaauwen.
Totdat wetenschappers de barbapapa’s tot hun verbazing ook begonnen te ontdekken bij levende planten, dieren en zelfs de mens, springlevend en wel. Misschien worden ze in het lichaam beschermd door bepaalde suikers. Of zouden ze zich soms ergens verstoppen, om aan de ontploffingsdood te ontkomen?
De doorbraak kwam vorig jaar, toen een team onder leiding van de Britse microbioloog Jeff Errington als eerste aantoonde (PDF) dat de blubberende bacteriën zich kunnen verschuilen in nota bene onze afweercellen. Toch een beetje zoiets als de bankrover die ontkomt door zich te verstoppen in de achterbak van een politiewagen. “We vonden dit heel verrassend”, zegt Errington aan de telefoon vanuit Newcastle upon Tyne.
Dat betekent nogal wat, vertelt de Leidse microbioloog Dennis Claessen. “De celwand is aangrijppunt voor veel antibiotica, maar ook herkenningspunt voor ons immuunsysteem. Als een bacterie onder invloed van stress zijn celwand uittrekt, is hij dus ongevoelig voor penicilline en minder zichtbaar voor het immuunsysteem. Hij verdwijnt gewoon van de radar.”
In zijn werkkamer in het Biosciencepark Leiden klikt Claessen een filmpje open dat hij vorig jaar maakte door de microscoop. Dat zijn ze nou, vertelt Claessen. De L-vormen. “Dit is leven zonder celwand. Ze vermeerderen zich, op volstrekt bizarre wijze.”
Niks netjes symmetrisch in tweeën delen, zoals een brave bacterie dat doorgaans doet. Eerder vermeerderen de barbapapa’s zich als de schuimbubbels van een snel opengetrokken biertje. “En het verrassende is”, wijst Claessen op de uitdijende cellen, “dat het merendeel van hun afsplitsingen dna bevat. En dit is dus gedrag dat alle bacteriën onder bepaalde condities gaan vertonen.”
Met alle gevolgen van dien, vertelt Errington. Zoals bij urineweginfectie. “Het gebeurt nogal eens dat die infectie zeer hardnekkig is, vooral bij vrouwen. En we staan net op het punt te publiceren dat we in de helft van de urinemonsters van zulke patiënten L-vormen vinden.”
Dat kan een teken zijn dat bacteriën de L-vorm gebruiken als een soort onzichtbaarheidsmantel, om onder de radar te blijven. “Ik denk dat het een mogelijkheid is. Er is veel dat we nog niet begrijpen van infecties”, zegt Errington. “De moeilijkheid is dat de meeste medisch-diagnostische labs bacteriën niet kweken op een medium dat L-vormvriendelijk is. Daardoor blijven ze onopgemerkt.”
Claessen is niettemin optimistisch: de barbapapabacteriën hebben immers de neiging om bij het minste of geringste op te zwellen en de waterballondood te sterven. “Het klinkt misschien raar, maar als we eenmaal weten waar ze zich precies verschuilen, hoeft de oplossing in mijn optiek niet zo ingewikkeld te zijn”, zegt hij. “Ze zijn superfragiel. Je hoeft ze maar in het water te gooien en, poef!, ze zijn weg.”
In Delft proberen Dekker en Japaridze intussen van de nood een deugd te maken: ze gebruiken de L-vorm om meer te weten te komen over het verborgen binnenleven van bacteriën. “Cees houdt er wel van om rare trucjes toe te passen”, zegt Den Blaauwen. “Typisch Cees Dekker, dit soort out-of-the-boxdenken”, vindt ook Claessen. “Als zo’n cel te klein is om goed te bekijken, maken we hem gewoon wat groter.”
Dat is inderdaad wat Dekker heeft gedaan. De afgelopen weken publiceerde hij twee opvallende experimenten met de barbapapabacteriën. In Nature Communications beschreef hij samen met Japaridze en postdoc Fabai Wu hoe hij een bacterie liet opzwellen, zodat hij foto’s kon maken van zijn erfelijk materiaal (het grijswitte spul), dat normaal gesproken te dicht opeengepakt zit om goed te kunnen zien.
En twee weken geleden, in Current Biology, hoe hij bacteriën uitrekte tot een soort lange staaf, om te bestuderen hoe dna zich verdeelt door de cel. Hij deed dat door de barbapappa's (de donkere stokjes) in zeer dunne glazen buisjes te laten groeien (de lange strepen).
Allemaal door nietsvermoedende E. coli-bacteriën met chemicaliën hun celwand af te pakken, zodat ze veranderen in barbapapa’s.
Een waaier aan nieuwe inzichten en inzichtjes, levert dat op. Zo ontdekte Dekkers groep dat het dna-pakket van de E. coli ook opzwol toen hij ze liet uitlubberen, tot een donutvormige ring van wel tweemaal de normale grootte. Waarna de foto die hij van het dna-pakket maakte (hieronder links) ook nog eens merkwaardig veel leek op de iconische eerste foto van een zwart gat (rechts), die sterrenkundigen in april onthulden.
“Misschien heeft een van die astronomen mijn presentatie gezien en besloten dat zwarte gat te stileren naar ons voorbeeld”, grapte Dekker op Twitter.
In zijn werkkamer, in het nieuwe natuurkundegebouw achter op de Delftse campus, legt Dekker een stuk touw op tafel, om de details uit te leggen van wat hij zag. Een hele lade vol stukken touw heeft de hoogleraar voor dit soort educatieve doeleindes, als je niet beter wist zou je het raar vinden.
Kijk, hier bobbelde het dna op tot een soort klont. En amper een minuut later zaten de klonteringen opeens op een heel andere plek. “Dat betekent dat dit een heel dynamisch, actief ding is”, zegt hij. Voor de duidelijkheid tekent hij het nog eens op een whiteboard:
Of neem het experiment met de tot tien keer zijn gewone lengte uitgerekte bacterie – als ‘rekbank’ gebruikte het team een dun buisje waarin ze de barbapapabacil opsloten. Tot hun verwondering zagen de Delftenaren dat dna dat zich in twee pakketjes had gedeeld zich keurig verdeelde over de lengte van de cel – één pakketje dna op een kwart lengte, een tweede pakketje op driekwart lengte. Hieronder de opname: rechts staat het tijdstip in minuten, de witte lijn geeft ongeveer de lengte van bacteriën aan, en de grijze streepjes zijn hun platgedrukte dna-pakketjes:
Een duidelijk teken dat de interne druk in de cel, door ronddobberende eiwitcomplexen, de klontjes dna spontaan naar hun plek duwt, denken de wetenschappers. “Je ziet hier de kracht van zelforganisatie”, zegt Dekker. “In dit vak word ik keer op keer verrast door de biologie. En elke keer weer vind ik het fantastisch.”
Bovenste foto: Helmholtz Centre for Infectious Diseases. Filmpje: Dennis Claessen Lab. Losse foto's: Maarten Keulemans/De Volkskrant. Zwart gat: ESA. Alle overige afbeeldingen: Cees Dekker Lab.
Barbapapa als Adam?
Het eerste levende wezen op aarde had misschien deze vorm: een simpele bacterie zonder celwand, die zich voortplantte door voortdurend als een soort badschuim bubbels af te scheiden. Een L-vorm dus, zoals vormloze barbapapabacteriën zonder celwand formeel heten.
Ideetje van de Britse microbioloog Jeff Errington, die in 2013 in vakblad Cell een paar stevige aanwijzingen voor die gang van zaken presenteerde. Errington ontdekte dat het talent om een L-vorm te worden bij bacteriën verrassend dicht onder het oppervlak ligt: twee relatief bescheiden wijzigingen in het dna en de bacterie laat zijn innerlijke barbapapa al los.
“Dat maakt het heel plausibel als verklaring voor hoe zeer primitieve cellen zich kunnen hebben voortgeplant in de vroegste dagen van de evolutie”, aldus Errington in een toelichting. Het zou ook betekenen dat het leven rijpte in een niet al te waterige omgeving. Anders zouden de cellen zich te snel volzuigen en knappen.
Pas zo’n vier miljard jaar geleden zullen onze zeer verre voorouders een celwand hebben ontwikkeld, als bescherming tegen de boze buitenwereld, vermoedt Errington.
