Sam envatting. Samenvatting

Transcriptie

1 Sam envatting Samenvatting Een aantal structureel verschillende m oleculen kunnen biosurfactant activiteit hebben. De bekendste van deze m oleculen zijn lipopeptiden en glycolipiden.biosurfactanten worden m eestalgeproduceerd door bacteriën.ze zijn in staatom em ulsies te vorm en.de biosurfactantm oleculen bevinden zich vooralin de interfase tussen fasen m et verschillende polariteit zoals olie/water of lucht/water. Biosurfactanten kunnen interessant zijn voor toepassingen in zowel het m ilieu als in de geneeskunde. Een voorbeeld van het eerste is dat biosurfactanten de oplosbaarheid van vele xenobiotica verhogen (b.v. van olieproducten)waardoor ze sneller kunnen worden afgebroken.een ander voorbeeld is dat biosurfactanten ionen van zware m etalen kunnen binden (zoals die van cadm ium,lood,koper en zink)waardoor deze beter uitverontreinigde grond kunnen worden verwijderd.m et betrekking tot m edische en therapeutische toepassingen blijken biosurfactantia actiefte kunnen zijn tegen zowelbacteriën,schim m els als virussen. Ze kunnen in principe zelfs worden toegepast voor vaccinatie en gentherapie. Natuurlijke biosurfactanten hebben een aantal voordelen boven gesynthetiseerde surfactanten zoals een lage toxiciteitvoor hetm ilieu en voor de gezondheid van de m ens,m ilieu-com patibiliteiten hoge selectiviteit(b.v.tegen één specifieke klasse van verontreiniging oftegen één klasse van pathogene m icroorganism en)onder extrem e m ilieu-om standigheden (zoals hoge tem peratuur,ph of zoutconcentratie). Hoge productiekosten belem m eren een brede toepassing van biosurfactanten.daarom richthetonderzoek naar biosurfactanten zich m om enteel voornam elijk op het ontdekken van nieuwe klassen biosurfactant m oleculen,op hun rol in de natuur, en op de identificatie en regulatie van de genen die verantwoordelijk zijn voor de productie en regulatie van biosurfactanten. De bacterie die gebruikt werd voor het onderzoek beschreven in dit proefschrift is Pseudomonas putida stam PCL1445. Eerder was aangetoond dat PCL1445 twee lipopeptide biosurfactanten produceert, genaam d putisolvin I en putisolvin II. Deze twee putisolvins vertegenwoordigen een nieuwe klasse van biosurfactant m oleculen.putisolvins vorm en een nieuwe klasse van biosurfactant m oleculen om datze de eerste lipopeptiden zijn die bestaan uiteen 12 am inozuren lange peptideketen gekoppeld aan een zes C-atom en bevattende vetzuurketen.deze nieuwe structuur geeft interessante eigenscappen aan putisolvins.zo kunnen ze 161

2 emulsificering (mengen van olieachtige verbindingen met water) van toxische componenten zoals tolueen bevorderen. Ook kunnen ze de oplosbaarheid van bijvoorbeeld naftaleen en fenantreen, twee bekende milieuverontreinigingen, stimuleren. Deze eigenschappen maken putisolvins veelbelovend om toe te passen tegen milieuverontreinigingen. In de natuur kunnen bacteriën een gemeenschap van cellen vormen op een bepaald oppervlak, zoals op de wortels van planten. Zulke biofilms hebben een enorme impact in medische en industriële settings en in de landbouw. Deze biofilms kunnen zowel een schadelijk als nuttig effect hebben. Een groot probleem is dat biofilms vaak ongevoelig zijn voor veel antibiotica. Putisolvins zijn in staat om reeds gevormde biofilms af te breken, zoals die gevormd door de mens-opportunistische pathogeen Pseudomonas aeruginosa, een veroorzaker van veelvoorkomende infecties in ziekenhuizen. Deze laatste eigenschap maakt putisolvins erg aantrekkelijk om te gebruiken in medische toepassingen tegen infecties. Al deze eigenschappen van biosurfactanten maken deze moleculen voor wetenschappers een erg gewild onderwerp om te bestuderen, met name de regulatie-mechanismen betrokken bij hun productie. Het doel van dit proefschrift is om de regulatie mechanismen betrokken bij de productie van putisolvins te identificeren, de functie van putisolvins voor de bacterie te begrijpen, en te proberen de putisolvin productie voor eventuele toepassingen in de toekomst te verhogen. In dit proefschrift zijn drie verschillende benaderingen gebruikt om de genen the identificeren die betrokken zijn bij putisolvin productie. Ten eerste, willekeurige mutagenese. Deze benadering resulteerde in de identificatie van twee regulatie-systemen, nl. een heat shock systeem (de expressie van deze genen wordt gereguleerd door een plotselinge verandering van de omgevingstemperatuur) en een twee-componenten signaal systeem (waarbij een eiwit aan het bacterie-oppervlak een verandering in de omgeving, zoals stress, waarneemt en doorgeeft aan een tweede, binnen in de cel gelegen. eiwit hetgeen resulteert in expressie van specifieke genen) (Hoofdstuk 2). Als tweede benadering werden genen waarvan verwacht werd dat ze waarschijnlijk betrokken zijn bij putisolvin productie en/of bij biofilm vorming gemuteerd in PCL1445 door gerichte mutagenese. Dit resulteerde in de identificatie van een zgn Quorum sensing systeem. Zo n systeem is betrokken bij het gedrag van en de communicatie tussen bacteriën door middel van kleine diffundeerbare moleculen. Het effect van deze moleculen op putisolvin productie en biofilm vorming is onderzocht en werd beschreven in Hoofdstuk 3. Ten derde werd de nucleotide volgorde van het DNA dat voorafgaat aan het putisolvin gen 162

3 Samenvatting bestudeerd op de aanwezigheid van regulatiegenen. Deze benadering resulteerde in de identificatie van nieuwe regulatie genen betrokken bij putisolvin productie (Hoofdstuk 4). Tenslotte is het effect van verschillende omgevingsfactoren en condities op het productie-nivo van putisolvin bestudeerd. In Hoofdstuk 5 zijn pogingen beschreven om de productie van putisolvin te verhogen. In Hoofdstuk 2 wordt de identificatie en de functie van drie genen beschreven die worden geïnduceerd onder invloed van plotselinge temperatuurveranderingen. Deze drie genen, dnak, dnaj en grpe, spelen een cruciale rol bij het overleven van de bacterie onder extreme temperatuur variaties, vooral bij hoge temperaturen. Productie van putisolvins blijkt door deze genen te worden gereguleerd. Deze vinding resulteerde in de hypothese dat putisolvins van belang zijn voor de bacterie om te overleven in zijn eigen omgeving. Een tweede ontdekking was dat de putisolvin productie wordt gestimuleerd bij lage temperaturen en dat deze productie wordt gecontroleerd door de drie genoemde heat shock genen. Deze ontdekking resulteerde in het vermoeden dat PCL1445 zich goed voelt in een koude omgeving. Een derde ontdekking was dat een tweecomponenten systeem betrokken is bij putisolvin productie. Dit systeem neemt een signaal uit de omgeving waar en vertaalt dit externe signaal naar het binnenste van de cel om de putisolvin productie te reguleren. Deze vinding laat zien dat de productie van putisolvin wordt bepaald door de leefomgeving van de bacterie. Dit versterkt ons vermoeden dat de functie van putisolvin is om het voor de bacterie makkelijk te maken zich aan de steeds veranderende omgeving aan te passen. Bacteriën kunnen niet meer worden beschouwd als zelfstandige losse cellen met enig vermogen tot collectief gedrag. Bacteriecellen zijn in feite zeer communicatief en bezitten daardoor een buitengewone aanleg voor sociaal gedrag. Bacteriën coördineren hun activiteiten door het produceren en detecteren van kleine diffundeerbare moleculen die een bacteriegemeenschap in staat stelt als eenheid te functioneren. Deze vorm van samenwerking wordt quorum sensing genoemd en speelt een centrale rol in de levenscyclus van bacteriën. Door te begrijpen hoe quorum sensing bij bacteriën werkt kunnen we cel-tot-cel communicatie gebruiken om het gedrag van een totale leefgemeenschap, zoals een biofilm, te beinvloeden en daarmee het gedrag van een schadelijke of nuttige bacterie-gemeenschap te sturen. De bacterie P.putida PCL1445 is in staat tot bovengenoemd sociaal gedrag. In Hoofdstuk 3 is beschreven dat PCL1445 kleine diffundeerbare moleculen, AHL s (Nacylhomoserine lactonen), produceert die productie van putisolvins reguleren en de biofilm vorming beïnvloeden. W ij speculeren dat de complete bacterie-populatie de 163

4 biosynthese van putisolvin coördineert. Wanneer voedingsstoffen limiterend worden of wanneer andere stress-omstandigheden heersen, zal een deel van de populatie de biofilm verlaten om een prettiger leefomgeving te zoeken en aldaar weer een biofilm te vormen. In Hoofdstuk 4 is een ander belangrijk gen beschreven dat de expressie van putisolvins controleert. Dit gen, dat dicht bij het structurele gen voor putisolvin psoa ligt, codeert voor een transcriptioneel regulator-eiwit. Dit eiwit herkent en bindt aan een korte DNA sekwentie stroomopwaarts van het psoa gen hetgeen resulteert in de inductie van het psoa gen. In Hoofdstuk 5 zijn studies beschreven over het effect van omgevingsfactoren op de productie van putisolvin. Deze studies laat zien dat specifieke omgevingsstimuli, zoals beschikbaarheid van voedingsstoffen, hoge zoutconcentraties en lage zuurstof-beschikbaarheid een essentiële rol spelen bij putisolvin productie. In dit proefschrift werden nieuwe mechanismen beschreven voor het reguleren van de biosynthese van biosurfactanten. De resultaten kunnen bijdragen aan het begrijpen van de functie van deze moleculen bij de proliferatie van bacteriën en van hun invloed op het milieu. Een vraag die overblijft is of deze mechanismen algemeen voorkomen onder bacteriën. Door onze kennis over biosurfactanten te vergroten maken we het mogelijk om de productie van biosurfactanten te manipuleren en kunnen we gebruik maken van hun eigenschappen voor toepassingen in geneeskunde, industrie en landbouw. 164

5

6