Wetenschappers ontdekken verbazingwekkende dingen in bacteriën, 1000 keer vergroot

Door de MERFISH-beeldvormingstechniek te combineren met uitgebreide microscopie, hebben wetenschappers een nieuwe manier ontdekt om bacteriën op het niveau van individuele cellen te bestuderen. Deze nieuwe prestatie maakt diepgaandere observaties mogelijk van de manier waarop bacteriën verschillende typen genen activeren als reactie op hun omgeving. Dit biedt inzicht in bacterieel gedrag, antibioticaresistentie en infectiestrategieën.

Hoe bacteriën werken

Hoe coördineren bacteriën – of het nu de nuttige bacteriën in ons lichaam zijn of de gevaarlijke, ziekteverwekkende stammen – hun activiteiten? Een recent onderzoek heeft nieuwe inzichten opgeleverd door geavanceerde genomische microscopie te combineren met een baanbrekende techniek om de genen te volgen die bacteriën onder verschillende omstandigheden en omgevingen activeren. Deze doorbraak werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science en zal naar verwachting het bacterieonderzoek naar nieuwe hoogten tillen.

Dr. Jeffrey Moffitt en collega's van het Program in Cellular and Molecular Medicine (PCMM) van het Boston Children's Hospital (VS) gebruikten MERFISH, een moleculaire beeldvormingstechniek die Moffitt hielp ontwikkelen, om boodschapper-RNA (mRNA) in duizenden afzonderlijke bacteriemonsters tegelijk te analyseren. Met deze methode worden niet alleen de genexpressie op grote schaal in kaart gebracht, maar wordt ook duidelijk hoe ruimtelijke factoren de genactivatie van bacteriën beïnvloeden – iets wat nog nooit eerder is gedaan.

Uitdagingen bij bacteriële beeldvorming

Het team moest echter eerst een grote uitdaging overwinnen: bacteriële RNA's, ook wel bacteriële transcriptomen genoemd, zitten dicht op elkaar in kleine cellen, waardoor ze moeilijk te onderscheiden en in beeld te brengen zijn.

Met behulp van een in het laboratorium ontwikkelde techniek genaamd ‘expansiemicroscopie’ plaatste het team de monsters in een speciale hydrogel. Ze immobiliseerden het RNA in de gel en varieerden de chemische bufferoplossing erin. Hierdoor zet de gel uit en wordt de monstergrootte 50 tot 1000 keer groter. Op dit punt worden alle bacteriële RNA's individueel verteerbaar.

Wat betekent bacteriële genexpressie?

Tot nu toe hebben wetenschappers bacterieel gedrag doorgaans gemeten door het gemiddelde te nemen van hele bacteriepopulaties. Het vermogen om de genen te identificeren die individuele bacteriën gebruiken, kan waardevolle nieuwe inzichten opleveren in bacteriële interacties, virulentie, stressreacties, antibioticaresistentie, biofilmvorming (bijvoorbeeld in katheters) en meer.

"We beschikken nu over de instrumenten om interessante vragen te beantwoorden over de interacties tussen gastheer en microbe en tussen microben onderling", aldus Moffitt. We kunnen onderzoeken hoe bacteriën communiceren en concurreren om ruimtelijke posities, en de structuur van bacteriële gemeenschappen bepalen. En we kunnen ons afvragen hoe pathogene bacteriën hun genexpressie reguleren wanneer ze zoogdiercellen infecteren.

Bacterial-MERFISH kan ook informatie verschaffen over bacteriën die moeilijk te kweken zijn in petrischalen. Nu hoeven wetenschappers ze niet meer te kweken, maar kunnen ze ze gewoon fotograferen in hun natuurlijke omgeving.

Inzichten op celniveau in bacteriële overlevingsstrategieën

Enkele van de experimenten die het team uitvoerde, illustreerden de soorten vragen waarop Bacterial-MERFISH antwoord kon geven. Moffitt en collega's konden bijvoorbeeld aantonen dat individuele E. coli-cellen, wanneer ze geen glucose krijgen, sequentieel alternatieve voedselbronnen proberen te benutten en daarbij hun genexpressie in een specifieke volgorde veranderen. Door in de loop van de tijd een reeks genetische momentopnames te maken, kon het team deze overlevingsstrategie samenstellen.

Het team kreeg daarnaast inzicht in de wijze waarop bacteriën hun RNA's binnen cellen organiseren, wat van belang kan zijn bij het reguleren van verschillende aspecten van genexpressie. Vroeger was het heel moeilijk om met zo'n transformatie om te gaan, maar nu is de taak veel gemakkelijker geworden.