Alle thema's

Samenspel van eiwitten zorgt voor biologische klok in oeroude bacteriën

Autonoom proces van drie eiwitten stuurt 24-uurscyclus in cyanobacteriën aan

Deze publicatie is onderdeel van het thema: Leven bouwen met moleculen

Maakt het voor een bacterie uit of het dag of nacht is? Wel voor een cyanobacterie die zonlicht omzet in voedsel en zuurstof. Twee artikelen in Science, waarvan een door Utrechtse onderzoekers, beschrijven hoe de biologische klok van deze oerbacteriën werkt. Een ritmisch wisselende aantrekking en afstoting van eiwitten blijkt de kern van dit 3,5 miljard jaar oude uurwerk.

door

Planten, dieren, mensen – allemaal leven ze onder invloed van hun biologische of interne klok. Lange tijd werd aangenomen dat alleen deze ‘hogere’ levensvormen zo’n geavanceerd mechanisme hadden ontwikkeld. Groot was dan ook de verrassing toen bleek dat de ‘primitieve’ cyanobacteriën in een duidelijk dag-nachtritme opereren.

Synechococcus cyanobacteria cultures

Cyanobacteriën draaien inmiddels zo’n 3,5 miljard jaar mee op aarde en staan aan de basis van bijna al het leven dat we nu kennen. Zij hebben namelijk gezorgd voor de grote toename van zuurstof in de atmosfeer, waardoor er een explosie van leven op gang kwam. Lange tijd stonden de cyanobacteriën bekend als ‘blauwalgen’, een naam die nog veel wordt gebruikt. Totdat duidelijk werd dat deze microben geen algen zijn, maar bacteriën.

Cyanobacteriën gebruiken fotosynthese, net als later de planten, om zonlicht om te zetten in brandstof en voedsel en bij dat proces komt zuurstof vrij. Dit verklaart het nut van een interne klok: zodra er zonlicht is, moet de fotosynthese op volle kracht aan de slag. Maar ’s nachts heeft het geen zin om die machinerie te laten lopen en kan de bacterie de aandacht beter richten op andere belangrijke processen.

De klok van cyanobacteriën bestaat uit slechts drie eiwitten: KaiA, KaiB en KaiC. Ongeveer tien jaar geleden lieten Japanse onderzoekers zien dat deze eiwitten in een reageerbuisje, dus buiten de cyanobacterie, ook blijven werken. Zolang er aanvoer van energie in de vorm van het molecuul ATP is, houden de eiwitten hun 24-uurscyclus gewoon vast. Maar ondanks deze ogenschijnlijk eenvoudige opzet, was het nog niet duidelijk hoe de eiwitten precies te werk gaan en waar dat stabiele ritme vandaan komt.

Cyanobacterie klok heck

Door de temperatuur te verlagen konden Heck en collega’s de bacteriële klok stilzetten en de losse onderdelen in detail bekijken. Jan Schuller (MPI Martinsried), Bas van Breukelen, Albert Heck (Universiteit Utrecht), met toestemming

Twee tegelijkertijd gepubliceerde artikelen in Science geven nu een gedetailleerde verklaring van de werking van de bacteriële oerklok. In beide gevallen hebben de onderzoekers zich geconcentreerd op de structuur van de eiwitten en hoe die structuur bepaalt wat ieder eiwit op welk moment doet. Een van de artikelen is geschreven door onderzoekers van de Universiteit Utrecht onder leiding van Albert Heck, hoogleraar Biomoleculaire Massa Spectrometrie.

Tijd bevriezen

Hecks groep gebruikte een heel gevoelige analytische techniek, massaspectrometrie, om precies te bepalen hoe de drie eiwitten aan elkaar binden en in welke verhouding ze dat doen. Maar omdat dit een proces is dat continu in beweging is, is het lastig te bestuderen. De truc: de temperatuur flink verlagen om de klok als het ware stil te zetten. Door dit op gezette tijden te doen, kregen de onderzoekers een inkijkje in de details en het tijdsverloop van de onderlinge interacties tussen de eiwitten. “De radertjes van de klok”, aldus Heck.

De centrale speler in de klok is het eiwit KaiC. Dit eiwit vormt een hexameer: zes KaiC-eiwitten vormen samen een groot complex dat eruitziet als twee op elkaar gestapelde ringen. “Het bijzondere aan KaiC is dat het zichzelf kan fosforyleren, maar ook kan de-fosforyleren”, legt Heck uit. Fosforyleren is het bevestigen van een fosfaatgroep, een fosforatoom met daaraan gebonden vier zuurstofatomen. Dit is een algemeen proces in levende cellen, waardoor eiwitten worden geactiveerd. Meestal gebeurt het bevestigen en verwijderen van een fosfaatgroep door speciale enzymen. Maar KaiC kan dit dus zelf.

Structuur kaicba complex

Structuur van het complete KaiCBA-complex gezien van boven (links) en opzij (rechts). In groen en blauw de twee ringen van KaiC, in paars en roze KaiB en in geel en oranje KaiA. J. Snijder, et al., Science 2017, doi:10.1126/science.aag3218

De cyclus komt op gang zodra KaiA bindt aan KaiC. Dan kan KaiC zichzelf fosforyleren en activeren. Dat proces gaat door totdat het maximale aantal KaiA-eiwitten is gebonden. “Dan wordt het geraffineerde van dit systeem mooi zichtbaar”, zegt Heck enthousiast. “Door het binden van die KaiA-eiwitten wordt een van de ringen in KaiC strakker dichtgetrokken, waardoor de structuur van het hele KaiC-KaiA complex verandert. Hierdoor kan KaiB gaan binden, wat eerst niet kon. En dat zet de tweede helft van de cyclus in gang.”

Het wordt even een ingewikkelde opsomming, maar doordat KaiB erbij komt, wordt KaiA van z’n plek verdrongen en laat los. Het vrije KaiA gaat nu echter binden aan KaiB. Dat zorgt er weer voor dat de fosfaatgroepen op KaiC eraf vallen. Dan kan KaiC de andere eiwitten niet meer vasthouden. Alles laat los en KaiC is weer terug in dezelfde ‘lege’ vorm als in het begin. Dit hele proces duurt 24 uur.

Mechanisme klok cyanobacterie

Schematische weergave van de 24-uurscyclus. Groen/blauw = KaiC, geel = KaiA, roze = KaiB, bruin = fosfaatgroepen. J. Snijder, et al., Science 2017, doi:10.1126/science.aag3218

Autonome klok

Het lijkt logisch dat deze cyclus wordt aangewakkerd zodra het licht wordt, maar dat is een misvatting. Heck: “Deze klok loopt volledig autonoom. We weten uit experimenten dat ook als je deze eiwitten bij elkaar brengt in het donker, het 24-uursritme gewoon doorgaat. De klok is echt het sturende mechanisme dat de bacterie aanzet tot de juiste processen. Er is ook een duidelijke relatie met de celdeling. In cyanobacteriën waarvan de klok niet werkt, raakt ook de celdeling verstoord.” Interessant detail: hoewel onze eigen interne klok heel anders werkt, werken onze rode bloedcellen met een ‘klok’ die sterk lijkt op die van de cyanobacteriën.

Laag cyanobacterien op kanaal

Cyanobacteriën op een kanaal. Lamiot via Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Hoe kijkt Heck tot slot naar het andere Science-artikel over de werking van deze klok? Ook daarin zien we gedetailleerde eiwitstructuren die het mechanisme verklaren. “Ik heb het artikel pas net onder ogen gekregen, maar ik ben er heel blij mee. In dat stuk gaat de aandacht meer uit naar structuurdetails in de actieve delen van de eiwitten, naar een enkel radertje. Wij kijken meer naar de big picture, de gehele klok. De artikelen vullen elkaar mooi aan, zonder dat we hebben samengewerkt. Onze bevinden worden bevestigd door hun werk en andersom. En hun resultaten hebben mij meteen weer ideeën opgeleverd voor nieuwe experimenten.”

Bronnen

J.Snijder, et al., Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state, Science (2017), doi:10.1126/science.aag3218

R. Tseng, et al., Structural basis of the day-night transition in a bacterial circadian clock, Science (2017), doi:10.1126/science.aag2516

Peiling: Hoe staat jouw biologische klok afgesteld?