De onderzoekers. Foto Weizmann Institute
Elke keer dat we bellen, een sms sturen of een video bekijken, raakt een deel van de energie die is opgeslagen in de batterij van de mobiele telefoon op. Levende cellen slaan ook energie op in "valuta's" die ze kunnen verzilveren wanneer dat nodig is, om levensprocessen van brandstof te voorzien.
De belangrijkste energievaluta van alle levende wezens op aarde - de lithiumbatterij die als het ware de levende wereld van stroom voorziet - is een molecuul dat bekend staat als ATP. Maar hoewel het opladen van cellen met ATP-moleculen van levensbelang is, is nu ontdekt dat het ontladen ervan niet minder cruciaal en zelfs levensreddend kan zijn.
In een studie die vandaag in Cell is gepubliceerd, hebben onderzoekers van het Weizmann Institute of Science een nieuwe familie van eiwitten beschreven die cellen van hun energie uitputten, waardoor de cellen worden beschermd tegen indringers. De wetenschappers toonden aan dat dit voorheen onbekende afweermechanisme niet alleen in eencellige organismen voorkomt. Het is bewaard gebleven gedurende meer dan een miljard jaar evolutie en wordt door veel levende wezens gebruikt, van koralen tot bijen.
De nieuw onthulde strategie is de nieuwste van meer dan 100 recent ontdekte geavanceerde mechanismen die door bacteriën worden gebruikt in hun heldhaftige strijd tegen fagen, de virussen die bacteriën aanvallen. Veel van deze mechanismen werden ontdekt en beschreven in het laboratorium van prof. Rotem Sorek van de afdeling Moleculaire Genetica van Weizmann. Net als de virussen die ons aanvallen, bestaan ook fagen uit een kleine hoeveelheid eiwitten en veel genetisch materiaal – DNA of RNA – dat ze injecteren in de bacteriën die ze overnemen. Nadat ze deze taak hebben volbracht, gebruiken deze virussen de cellulaire machinerie van de bacterie om zichzelf keer op keer te repliceren. Wanneer ze de bronnen van een enkele bacterie hebben uitgeput, breken ze het membraan af, breken uit en verspreiden zich door de hele bacteriekolonie.
In hun studie concentreerden de onderzoekers zich op een gen dat hun aandacht had getrokken - een gen dat op mysterieuze wijze het vermogen van een faag om zichzelf te repliceren en de rest van de kolonie te infecteren, teniet had gedaan. De wetenschappers onthulden dat het mysterieuze gen codeert voor een eiwit dat ATP-moleculen in stukken snijdt en permanent vernietigt, waardoor de invasieve faag de energie wordt ontzegd die het nodig heeft om zichzelf te reproduceren. Het resultaat is een effectieve immuunstrategie. De onderzoekers concludeerden dat het gen een sleutelrol speelt in bacteriële immuunsystemen: bij afwezigheid repliceerden fagen die de bacteriën infecteerden 100 keer sneller.
"Het verlagen van de ATP-niveaus in de cel is een briljante strategie in zijn eenvoud", zegt dr. François Rousset , die het onderzoeksteam in het laboratorium van Sorek leidde. “Zonder energie kan de faag niet repliceren, en het is beter voor de bacterie, die in ieder geval geïnfecteerd is en op het punt staat te sterven, om zijn eigen batterij uit te putten, zodat de faag zich niet kan repliceren en zich kan verspreiden naar de rest van de kolonie.” De onderzoekers ontdekten ook dat in sommige gevallen het uitputten van ATP de controlesystemen van de faag aantast, waardoor het te snel het membraan van de bacteriecel doorbreekt, voordat het de kans heeft gehad om te repliceren. Dit voorkomt veel grotere schade aan de kolonie.
Verrassend genoeg komt deze strategie veel vaker voor dan je zou denken. De wetenschappers scanden genoomdatabases van tienduizenden bacteriën en ontdekten meer dan 1.000 immuungenen die op een vergelijkbare manier werken. Bovendien waren ze verrast toen ze ATP-afbrekende eigenschappen ontdekten in een familie van eiwitten waarvan tot nu toe niet eens bekend was dat ze tot het immuunsysteem behoorden. Dit suggereert dat de onderzoekers een nieuwe immuunstrategie hebben ontdekt die bestaat in honderden verschillende bacteriën en hen effectieve bescherming biedt tegen virussen.
Het onderzoek bleef echter niet bij bacteriën. De wetenschappers voerden een uitgebreide analyse uit waaruit bleek dat veel geavanceerdere organismen - schimmels, insecten zoals bijen, koralen, sponzen en vele andere organismen - ook immuun-ATP-snijdende eiwitten produceren. Hoewel dit type immuuneiwit niet bestaat bij mensen, geloven de onderzoekers dat het de oude voorloper is van de eiwitten waaruit ons aangeboren immuunsysteem bestaat.
"Veel studies in de afgelopen jaren hebben de kennis van het immuunsysteem van geavanceerde organismen gebruikt om immuunstrategieën te onthullen die door bacteriën worden gebruikt", zegt Sorek. “Onze nieuwe studie toont aan dat de uitgebreide kennis die we hebben opgebouwd over bacteriële immuunsystemen ons in staat stelt om de tegenovergestelde logica te volgen: we kunnen meer te weten komen over de immuunsystemen van geavanceerde organismen door die van bacteriën te bestuderen. ATP-moleculen behoren tot de meest voorkomende in de natuur, dus het verduidelijken van hun rol in immuniteit kan enorm bijdragen aan het begrijpen van de verdedigingsstrategieën die talloze organismen gebruiken wanneer ze worden aangevallen door virussen."
