Bacteriën nemen hun omgeving waar. Ze meten hiervoor continu concentraties van nabije stoffen en reageren daarop. Zo vinden ze onder andere voedsel. Hoe dat meetinstrument werkt, is nu uitgeplozen door onderzoekers van het Amsterdamse FOM-instituut.
Hoe weten bacteriën waar voedsel is?
Max Pixel via CC0Als wij trek krijgen, lopen we naar de supermarkt. De meeste andere dieren sporen eten op met behulp van hun neus, oren en ogen. Maar hoe weten bacteriën, die slechts uit één simpele cel bestaan, waar zij voedsel kunnen vinden?
Daarvoor moeten ze kunnen reageren op signalen uit hun omgeving. Die signalen zijn de concentraties van voedselmoleculen om hen heen. Niet alleen bacteriën, maar alle levende cellen meten concentraties van stoffen. Dat is nodig om beslissingen te kunnen nemen zoals ‘blijf ik hier of ga ik verplaatsen’, ‘groei ik uit tot een gespecialiseerde cel of ga ik delen’ en zelfs ‘blijf ik leven of ga ik dood’.
Hoe meten cellen zo nauwkeurig de concentraties van stoffen in de buurt? Onderzoekers van het Amsterdamse FOM-instituut (stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie) onder leiding van biofysicus Pieter Rein ten Wolde pluisden het uit. Ze beschreven de resultaten in twee vakbladen: op 24 november in Proceedings of the National Academy of Sciences en 16 december in Physical Review Letters.
Meten is weten
Cellen meten concentraties van moleculen met receptoren aan de buitenkant van de cel. Deze receptoren zijn speciale eiwitten waar alleen bepaalde moleculen aan kunnen binden. Bindt een molecuul aan de receptor? Dan komt er een signaal op gang dat via een netwerk van chemische reacties de cel in wordt gestuurd. Bepaalde eiwitten in de buurt van de celwand worden dan geactiveerd en die zorgen op hun beurt dat de cel met een gepaste actie reageert. Bij een naar voedsel zoekende bacterie gaat dat zo: als die de verkeerde kant op zwemt (waar weinig voedsel is), dan binden er minder voedselmoleculen aan de receptor. Er worden minder eiwitten in de buurt van de celwand geactiveerd. Zij geven signaal door waardoor de bacterie dan haar richting verandert door haar zweepstaarten in de achteruit te zetten.
“Bij het woord ‘meten’ lijkt het al snel alsof cellen bewust een beslissing nemen. Maar individuele cellen hebben geen bewustzijn”, zegt Ten Wolde. “Je moet er zo tegenaan kijken: bij een lagere concentratie voedselmoleculen, sturen de receptoren minder signalen door het netwerk, daardoor neemt de activiteit van het eiwit aan het einde van het netwerk af. Is het aantal niet-actieve eiwitten laag genoeg, dan springt de motor die de zweepstaarten aandrijft automatisch in zijn achteruit.”
Ruis
Dat chemische netwerk in de cel is wel een beetje te vergelijken met een computer: het zijn alle twee apparaten om informatie te verwerken. Beide bestaan uit onderdelen die nodig zijn om de boel te laten draaien: computers uit schakelingen, het chemisch netwerk van de cel uit eiwitten. Ook hebben beide tijd nodig om de informatie die binnenkomt te verwerken. Tot slot moet er energie zijn om de computer en de eiwitten van het netwerk te laten draaien.
Een voorbeeld van een chemisch netwerk. Levende cellen meten concentraties van moleculen via chemische netwerken. Die netwerken bestaan uit eiwitten die met elkaar reageren.
Hehlgens et al. (2007)Dat een cel energie, tijd en eiwitten gebruikt om concentraties te meten, was al bekend. Maar hoe hij het komt dat hij zo nauwkeurig meet, was een raadsel. In tegenstelling tot een computer is er in de cel namelijk sprake van ruis. Ten Wolde: “In netwerken van chemische reacties botsen eiwitten tegen elkaar aan. Soms leidt dat tot een reactie, soms niet. Het is een kansproces. Daarnaast zijn de eiwitten in de cel niet altijd in dezelfde hoeveelheid aanwezig.” Hoe kunnen cellen in die chaos toch duidelijk een meting doorgeven?
Zwakste schakel
De FOM-onderzoekers ontwikkelden een theorie die de nauwkeurigheid van een concentratiemeting beschrijft, aan de hand van het aantal in de cel aanwezige eiwitten, de tijd en de energie die de cel in de meting steekt. Hun idee is het volgende: het onderdeel dat het minst aanwezig is, is de beperkende factor voor de nauwkeurigheid van de meting.
Bij gebrek aan een van de onderdelen verbeterde de nauwkeurigheid van de meting niet door meer van een ander onderdeel toe te voegen. Als er te weinig eiwitten in de cel zijn om het signaal van de receptoren door te geven, dan kan dat niet gecompenseerd worden door bijvoorbeeld extra energie in het netwerk te pompen. Als er te weinig eiwitten zijn, dan gaat dat altijd ten koste van de nauwkeurigheid van de meting, ongeacht de hoeveelheid tijd en energie die beschikbaar is.
Evolutionair voordelig
De onderzoekers testten hun theorie in de bekende bacterie E. coli. Van deze bacteriën is tot in detail bekend hoe ze zich verplaatsen als gevolg van concentratieverschillen van voedselmoleculen in de omgeving. Het aantal receptoren op het oppervlak is bekend, evenals hoe lang het duurt om een signaal door te geven.
Dit chemische netwerk, waarmee de bacterie haar omgeving meet op zoek naar voedsel, bleek volgens de theorie te werken. Volgens de onderzoekers is het goed mogelijk dat er vanuit de evolutie geselecteerd is op cellen met zo’n efficiënt meetsysteem: bij deze cellen gaat er geen tijd, energie of eiwitten verloren.