Bacteriespore ontwaakt dankzij chemisch geheugen

Deze sporen van Bacillus subtilis ontkiemen wanneer hun elektrisch potentiaal een drempelwaarde bereikt. Zo ontwaken ze wanneer de omstandigheden gunstig zijn.

Dankzij een chemisch geheugen kan een bacteriespore bepalen wanneer de omstandigheden goed genoeg zijn om te ontkiemen.

Rustende bacteriesporen hebben een vooraf aangelegde elektrochemische potentiaal die geleidelijk verandert als de omstandigheden gunstig zijn en blijven, ontdekte een Amerikaans-Spaans onderzoeksteam (Science, 6 oktober). Via dat passieve proces verwerken de sporen signalen van buiten en vinden ze een geschikt moment om te ontwaken. De onderzoekers tonen dit besluitvormingsmechanisme aan bij de sporevormende soort Bacillus subtilis, een veelvoorkomende bodem- en darmbacterie en een modelorganisme in de microbiologie.

Verpakt
De bacterie kan sporen vormen die kou, hitte, droogte, elektromagnetische straling, hoge zuurgraad en bepaalde chemicaliën jarenlang kunnen doorstaan. Een spore is verpakt in een omhulsel van meerdere lagen; een daarvan is het binnenmembraan. Hij bevat nauwelijks water, heeft nagenoeg geen stofwisseling en kan geen energie produceren of genen tot expressie brengen. Desondanks pikt hij signalen uit de omgeving op om bij gunstige condities weer tot leven te kunnen komen. De vraag was: hoe?

Daar geven de onderzoekers nu een antwoord op. Cruciaal is dat de bacterie bij sporevorming een elektrochemische potentiaal over het binnenmembraan aanlegt door kaliumionen naar binnen te pompen, schrijven ze. In het membraan zitten kaliumkanalen die in een rustende spore gesloten zijn, zodat de kaliumionen niet weglekken en de potentiaal constant blijft. Totdat er voedingsstoffen binden aan receptoren op de spore.

Drempelwaarde
De onderzoekers ontdekten namelijk dat na zo’n binding de kaliumkanalen even opengaan en een deel van de kaliumionen naar buiten stroomt. Dat proces kost geen energie. Bij volgende bindingen gebeurt dat steeds weer, zodat bij herhaalde blootstelling het kaliumgehalte binnen het membraan geleidelijk afneemt. De spore heeft daarmee als het ware een geheugen. Bij een eerste vluchtige blootstelling aan voedingsstof verandert de potentiaal weinig, want er stroomt maar weinig kalium naar buiten, en de spore blijft in rust. Maar naarmate hij vaker met voedingsstoffen in aanraking komt, verandert de elektrochemische potentiaal meer. Als de potentiaal een drempelwaarde bereikt, ontkiemt de spore.

Dat verklaart een feit dat bekend, maar onbegrepen was, namelijk dat sporen bij een tweede blootstelling aan voedingsstoffen gemakkelijker uit rust komen dan bij een eerste contact. Het doet denken aan een zenuwcel, die ook een potentiaal over het celmembraan heeft en die inkomende signalen, die de potentiaal iets veranderen, integreert en vuurt als de potentiaal door het gesommeerde effect een drempelwaarde bereikt.

Individuele bacteriesporen hebben verschillende beginpotentialen, waardoor ze niet allemaal tegelijk ontkiemen. Maar bij herhaalde of aanhoudende blootstellingen aan voedingsstoffen, komen er steeds meer tot leven.

Superslapers
Een commentaar in Science vindt de beschreven experimenten overtuigend. Vragen die blijven zijn hoe de binding van voedingsstoffen leidt tot opening van de kaliumkanalen, en hoe de verandering van de potentiaal de stofwisseling in gang zet. Er bestaan ‘superslapers’, sporen die extreem lang in rust blijven. Het zou mooi zijn om na te gaan of die onverstoorbare sporen starten met een ongewoon grote elektrochemisch potentiaal, suggereren de commentatoren.