Microben in diepzee kunnen hun bouwstenen aanpassen – en waarom dat bijzonder is
Elke microbe maakt om zijn buitenste beschermlaag op te bouwen, gebruik van het element fosfor. Net als alle cellen in ons menselijk lichaam. Maar hoe doe je dat als er bijna geen fosfor in je omgeving is, zoals op bepaalde gebieden in de diepzee? Microbiologen van het NIOZ hebben nu aangetoond dat microben in die situatie de fosfor weten te vervangen door wat wél aanwezig is, zoals zwavel en stikstof. Dat geeft aanwijzingen hoe zeeorganismen zich kunnen aanpassen aan veranderende omstandigheden in de oceaan.
Een microscopische afbeelding van het diepzeemicro-organisme Desulfatibacillum alkenivorans. (foto: Su Ding)
Microben zijn organismen die zo klein zijn dat je ze niet met het blote oog kunt zien. De meeste microben bestaan uit slechts één cel: denk aan bacteriën die een infectie kunnen veroorzaken, maar ook de microben die in je darmen leven en je gezond houden. Elke microbe heeft een membraan wat functioneert als een soort ‘huid’. Het membraan zorgt voor de structuur van de cel, beschermt zijn binnenste en reguleert welke stoffen de cel in en uit gaan. Dat membraan bestaat uit fosfolipiden: een verbinding tussen ‘staarten’ van vetzuren en een ‘hoofdgroep’ met daarin het element fosfor (zie afbeelding). Fosfor is dus een essentiële bouwsteen voor elke cel. Het speelt ook nog eens een grote rol in het DNA en de energiehuishouding van cellen.
Leven zonder fosfor
Maar wat als een microbe leeft in een omgeving waar bijna geen fosfor aanwezig is? Een team van onderzoekers, nam de diepzeebacterie Desulfatibacillum alkenivorans onder de loep. Ze stelden deze bloot aan steeds wisselende omstandigheden, waaronder te kort aan voedingsstoffen als fosfor of stikstof, maar ook wisselingen in temperatuur en zuur- en zoutgraad. Vervolgens analyseerden ze wat er gebeurde met het lipidenmembraan van de bacterie.
Als een complexe fabriek
Tot hun verbazing bleek de bacterie bij een gebrek aan fosfor bijna alle fosfolipiden in zijn membraan te vervangen door lipiden met zwavel en stikstof, stoffen die beiden wel voor handen waren. “Blijkbaar is deze bacterie in staat om de chemische samenstelling van zijn celmembraan aan te passen, zodat het het schaarse fosfor kan bewaren voor de meer essentiële onderdelen zoals DNA,” legt hoofdonderzoeker Ding uit. “Deze verandering van fosfor naar zwavel en stikstof vraagt een enorme, gecoördineerde aanpassing van het hele systeem van de cel,” vult supervisor Jaap Sinnighe Damste aan. “Het laat zien dat die kleine microben eigenlijk werken als een enorm complexe fabriek.”
Lipiden aanpassen aan temperatuur
Ding en zijn collega’s zagen ook dat een verandering in temperatuur zorgde dat de bacterie de samenstelling van zijn lipidenmembraan ging aanpassen. “Dit betekent dat deze bacterie een geheel nieuwe manier heeft gevonden om zich aan te passen aan moeilijke omstandigheden,” aldus hoofdonderzoeker Ding. Dat is relevante informatie: de opwarming van de oceaan en menselijke activiteit zoals viskwekerijen kunnen zorgen voor overschotten of juist tekorten aan voedingstoffen. “Meer inzicht in hoe bacteriën zich aanpassen aan deze situaties kan ons helpen in het ontwikkelen van strategieën om ongewenste effecten ervan op het leven in zee tegen te gaan. En in het verlengde daarvan ook mensen en samenlevingen te beschermen die afhankelijk zijn van de zee voor hun levensonderhoud.”
Unieke technologie
Het onderzoeksteam gebruikte een unieke techniek om het lipidenmembraan van de bacterie te analyseren, die enkele jaren geleden op het NIOZ is ontwikkeld. Deze lipidomics methode heeft een zeer hoge gevoeligheid, waarmee het team voor het eerst meer dan 400 nieuwe lipiden in de bacterie kon analyseren. Waaronder dus de nieuw gevonden zwavel-stikstoflipiden ter vervanging van de fosfolipiden. Het NIOZ is momenteel een van de drie instituten wereldwijd die deze techniek inzetten. Eerder dit jaar ontdekten Su Ding en collega’s met deze technologie dat parasitaire archea nogal kieskeurige eters zijn.