Onderzoekers onthullen hoe bacteriën zich hechten aan cellulosevezels in de darm

Onderzoekers hebben een nieuw moleculair mechanisme onthuld waarmee bacteriën zich hechten aan cellulosevezels in de menselijke darm. Dankzij twee verschillende inbindmodi, ze zijn bestand tegen de schuifkrachten in het lichaam. Wetenschappers van de Universiteit van Basel en ETH Zürich publiceerden hun resultaten in het tijdschrift "Nature Communications" .

Cellulose is een belangrijke bouwsteen van plantencelwanden, bestaande uit moleculen die met elkaar verbonden zijn tot vaste vezels. voor mensen, cellulose is onverteerbaar, en de meeste darmbacteriën missen de enzymen die nodig zijn om cellulose af te breken.

Echter, recent genetisch materiaal van de cellulose-afbrekende bacterie R. champanellensis werd gedetecteerd in menselijke darmmonsters.

Bacteriële kolonisatie van de darm is essentieel voor de menselijke fysiologie, en begrijpen hoe darmbacteriën zich aan cellulose hechten, verbreedt onze kennis van het microbioom en zijn relatie tot de menselijke gezondheid.

De onderzochte bacterie gebruikt een ingewikkeld netwerk van steigereiwitten en enzymen op de buitenste celwand, aangeduid als een cellulosoomnetwerk, hechten aan en afbreken van cellulosevezels. Deze cellulosoomnetwerken worden bij elkaar gehouden door families van op elkaar inwerkende eiwitten.

Van bijzonder belang is de cohesine-dockerine-interactie die verantwoordelijk is voor het verankeren van het cellulosoomnetwerk aan de celwand.

Deze interactie moet de afschuifkrachten in het lichaam kunnen weerstaan ​​om zich aan de vezels te hechten. Dit vitale kenmerk motiveerde de onderzoekers om nader te onderzoeken hoe het verankeringscomplex reageert op mechanische krachten.

Door een combinatie van atoomkrachtmicroscopie met één molecuul te gebruiken, single-molecule fluorescentie en moleculaire dynamica simulaties, Professor Michael Nash van de Universiteit van Basel en ETH Zürich, samen met medewerkers van LMU München en Auburn University, bestudeerden hoe het complex weerstand biedt aan externe kracht.

Twee bindingsmodi zorgen ervoor dat bacteriën aan oppervlakken onder stroming kunnen blijven kleven

Ze konden aantonen dat het complex een zeldzaam gedrag vertoont dat de dubbele bindingsmodus wordt genoemd, waarbij de eiwitten op twee verschillende manieren een complex vormen.

De onderzoekers ontdekten dat de twee bindingsmodi zeer verschillende mechanische eigenschappen hebben, waarbij de ene breekt bij lage krachten van ongeveer 200 piconewton en de andere een veel hogere stabiliteit vertoont die slechts breekt bij 600 piconewton kracht.

Verdere analyse toonde aan dat het eiwitcomplex een gedrag vertoont dat een "vangstbinding, " wat betekent dat de eiwitinteractie sterker wordt naarmate de kracht wordt opgevoerd.

Aangenomen wordt dat de dynamiek van deze interactie de bacteriën in staat stelt om onder schuifspanning aan cellulose te hechten en het complex af te geven als reactie op nieuwe substraten of om nieuwe omgevingen te verkennen.

We nemen duidelijk de dubbele bindingsmodi waar, maar kan alleen speculeren over hun biologische betekenis. We denken dat de bacteriën de voorkeur voor de bindingsmodus kunnen beheersen door de eiwitten te modificeren. Dit zou het mogelijk maken om van een lage naar een hoge hechtingstoestand over te schakelen, afhankelijk van de omgeving ."

Michael Nash, Professor, Universiteit van Bazel

Door licht te werpen op dit natuurlijke adhesiemechanisme, deze bevindingen vormen de basis voor de ontwikkeling van kunstmatige moleculaire mechanismen die vergelijkbaar gedrag vertonen, maar zich binden aan ziektedoelen.

Dergelijke materialen kunnen worden toegepast in biogebaseerde medische superlijmen of door afschuiving versterkte binding van therapeutische nanodeeltjes in het lichaam. "Voor nu, we zijn verheugd om terug te keren naar het laboratorium en te zien wat blijft hangen, " zegt Nas.

• Alarmins zijn het goud in moedermelk
• Menselijke darmmicroben spelen een belangrijke rol bij het in stand houden van de gezondheid