Je leest:

Waterafstotende eiwitten uit bosgrondbacterie

Waterafstotende eiwitten uit bosgrondbacterie

Auteur: | 2 december 2004

Eiwitten die voor de bacterie Streptomyces coelicolor van levensbelang zijn, kunnen helpen bij het onderzoek naar Alzheimer en de ontwikkeling van nieuwe scheepscoatings. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen vonden de eiwitten in de waterafstotende laag op de luchtdraden (hyfen) waarmee de bacterie zich voortplant.

Iedereen kent de Streptomyces coelicolor, heeft haar tenminste wel eens opgemerkt. Ze is mede verantwoordelijk voor de typische muffe boslucht die we tijdens een wandeling opsnuiven. De Streptomyces maakt het vluchtige stofje “geosmin” dat trouwens ook in een vochtige kelder te vinden is. Verstopt in de vochtige bosgrond produceert de bacterie zogenaamde luchthyfen, dat zijn dunne draden die zich tot sporen ontwikkelen waarmee de ongeslachtelijke voortplanting plaatsvindt. Dennis Claessen nam in zijn promotieonderzoek deze draden onder de loep vanwege hun bijzondere waterafstotende eigenschappen, die wellicht te vertalen zijn in nuttige medische en technologische toegepassingen.

De bacterie S. coelicolor groeit door middel van draden (hyfen) die na verloop van tijd de lucht ingroeien (A; pijlen). Deze luchtdraden ontwikkelen zich verder tot ketens van sporen (B). Zowel luchthyfen als sporen zijn zeer waterafstotend zoals te zien is aan de vorm van een opgebrachte druppel water ©. Beeld: RUG

Microbiële fysiologen zoals Claessen zijn gefascineerd door de hyfen omdat ze de bacterie in staat stellen te ‘ontsnappen’ aan de natte bosgrond. Om de lucht in te groeien moeten ze de hoge oppervlaktespanning op de grenslaag water-lucht doorbreken. Hoe dat precies kon was onbekend. Claessen ontdekte dat de uitscheiding van waterafstotende (hydrofobe) eiwitten, die hij chaplins noemde, de benodigde verlaging van de oppervlaktespanning realiseert. Zoals op het schema onderaan dit artikel is weergegeven krijgt de luchthyfe vervolgens een ‘hydrofobe regenjas’: hij wordt volledig bedekt met de waterafstotende eiwitten zodat het voortplantingsproces zijn beloop kan krijgen.

Wanneer met een krachtige elektronenmicroscoop het oppervlak van luchtdraden en sporen van Streptomyces coelicolor sterk uitvergroot wordt, blijkt de waterafstotende laag opgebouwd uit een mozaïek van staafjes met een diameter van 8-12 nanometer (nm). (A) Ze vormen als het ware de vezels van de regenjas van de draden. Vaak liggen twee van die staafjes parallel aan elkaar. Zo’n paar wordt ook wel een rodlet genoemd. Elk staafje op zich lijkt weer te zijn opgebouwd uit 2 smallere fibrillen, met een diameter van 4-6 nm (B). Beeld: RUG

Chaplins verlagen de oppervlaktespanning. Binnen enkele minuten wordt een film gevormd op het grensvlak tussen de oplossing met chaplins en de lucht (A). Dit gaat gepaard met een verlaging van de oppervlaktespanning, te zien aan de uitgezakte vorm van de druppel. Een druppel water zonder chaplins behoudt zijn ronde vorm (B). Beeld: RUG

Alzheimer

De eigenschappen van de chaplin eiwitten (Claessen leidde hun naam af van de afkorting voor Coelicolor Hydrophobic Aerial Proteins) zijn in meerdere opzichten bijzonder, zo bleek uit Claessens werk in zijn laboratorium bij het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute (GBB). Hij ontdekte dat de eiwitten gemakkelijk assembleren tot kleine fibrillen (amyloïden) die grote overeenkomst vertonen met de fibrillen in de hersenen van patiënten met Alzheimer, Parkinson of Creutzfeldt-Jacob, de menselijke variant van “de gekke-koeienziekte”. Het op een verkeerde manier assembleren van de eiwitten is een belangrijke oorzaak voor deze aandoeningen. De chaplins bieden een uitgelezen mogelijkheid het proces van samenklonteren te bestuderen: je kunt ze gemakkelijk verkrijgen uit een kweek van Streptomyces coelicolor en bovendien assembleren ze veel sneller dan de Alzheimer eiwitten. Ze vormen voor onderzoekers dus een prachtig modelsysteem om het klontergedrag tot in detail te bestuderen en er wellicht een remedie voor te vinden.

Scheepscoatings

Een minstens zo relevant toepassingsgebied is de ontwikkeling van milieuvriendelijke scheepscoatings. Als algen, zeepokken en andere organismen zich aan de scheepsbodem hechten wordt een schip trager en verbruikt het meer brandstof. Om dat te voorkomen worden vaak speciale verfsoorten gebruikt met tin- en koperverbindingen. Die komen in flinke hoeveelheden in het zeemilieu terecht, hopen zich op in de voedselketen en zijn deels verantwoordelijk voor de vervuiling in (haven)slib. Voor de Nederlandse wateren alleen is een jaarlijkse vervuiling met 19 ton organotin en 30 ton koper berekend.

Het idee is nu om biologisch aantrekkelijker alternatieven te ontwikkelen die niet gebaseerd zijn op chemische vergiftiging van aangroeiende organismen, maar op het fysieke verhinderen van de aangroei door de scheepshuid te coaten met speciale waterafstotende eiwitten – zoals de chaplins bijvoorbeeld. Het onderzoek van Dennis Claessen maakte onderdeel uit van het Pepticoat project opgezet in het kader van het EET-programma (Economie, Ecologie en Technologie), een gezamelijk initiatief van verschillende ministeries. Behalve de RUG zijn ook de bedrijven Genencor International en Sigma Coatings en de onderzoeksinstituten TNO en ATO bij Pepticoat betrokken.

Hoewel de chaplins op zich perspectief bieden voor effectieve anti fouling coatings, zijn er nog enkele hordes te nemen. Claessen kan in zijn lab slechts milligrammen van de eiwitten tegelijk maken, terwijl er honderden kilo’s nodig zijn voor één enkel schip. Verkennende experimenten geven nog weinig hoop op opschaling van de productie met moderne biotechnologische technieken; de sterke drang tot klonteren maakt het lastig in eiwitten te winnen en bovendien blijkt de veelgebruikte procesbacterie E. coli het loodje te leggen bij productie van chaplin eiwitten.

Proef met verschillende coatings op de onderkant van een schip. Er is duidelijk een verschil in de aangroei van biologisch materiaal (fouling) te zien. Beeld: pepticoat

“Hieronder is schematisch weergegeven hoe de luchtdraden van Streptomyces coelicolor een waterafstotende laag krijgen. Klik hier</font color> om een PDF bestand te downloaden met nog meer en uitgebreide uitleg door promovendus Dennis Claessen in de Nederlandse samenvatting van zijn proefschrift.”:/upload/124194_391_1101940303820-samenvat.pdf

Streptomyces coelicolor (bron: RUG)

Streptomyces coelicolor heeft een opmerkelijke groeiwijze vergeleken met de meeste andere bacterien zoals Escherichia coli (de welbekende darmbacterie). Streptomyces groeit door middel van draden die zich aan de toppen verlengen, vergelijkbaar met een schimmel. Aanvankelijk groeien de draden (hyfen) van de bacterie in de vochtige bosgrond.

Om zichzelf te kunnen voortplanten, moeten draden de vochtige bodem verlaten om de verspreiding van sporen via de lucht mogelijk te maken. Om het grensvlak van de lucht en de (waterige) bodem te kunnen doorbreken, worden eiwitten uitgescheiden, ChpE en ChpH, die betrokken zijn bij de verlaging van de oppervlaktespanning. Zonder deze eiwitten kunnen hyfen niet uit dit milieu ontsnappen (denk aan schaatsenrijdertjes op een sloot, die door de hoge oppervlaktespanning op het water lopen).

Na uitscheiding van deze chaplins, groeien draden de lucht in. Omdat lucht hydrofoob is (waterafstotend), beschermen de draden zich door het maken van een waterafstotende mantel. Deze mantel is opgebouwd uit chaplins (ChpA-H) samen met een tweetal andere eiwitten, genaamd rodlins (RdlA en RdlB). Het opmerkelijke aan de waterafstotende mantel is dat deze eruit ziet als een vlechtwerk van staafjes die we rodlets noemen.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 02 december 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.