Voortbeweging bij eencelligen

Transcriptie

1

2 Voortbeweging bij eencelligen Arjan Smeele Pascal Tjon Pon Fong TU Delft, sectie Mens-Machine Systemen Stage rapport November

3 HE MICROBE is so very small You cannot make him out at all, But many sanguine people hope To see him through a microscope. His jointed tongue that lies beneath A hundred curious rows of teeth; His seven tufted tails with lots Of lovely pink and purple spots, On each of which a pattern stands, Composed of forty separate bands; His eyebrows of a tender green; All these have never yet been seen-- But Scientists, who ought to know, Assure us that is must be so... Oh! let us never, never doubt What nobody is sure about! Gedicht van Hilaire Belloc ( ) Wie het kleine niet eert, is het grote niet weerd. Nederlands spreekwoord 3

4 Voorwoord Gedurende een periode van 11 weken hebben we stage gelopen aan bij de sectie Mens- Machine systemen aan de TU Delft. De stage opdracht bestond uit een literatuur onderzoek naar de voortbewegingmechanismen van eencelligen. Ons persoonlijk doel dat we hadden bij onze keuze voor deze stage was om een kijkje te kunnen nemen in de onderzoekswereld. Tijdens ons sollicitatie gesprek met Dr.ir.P. Breedveld werd ons verteld dat het de bedoeling was dat informatie niet alleen uit de literatuur verkregen zou worden maar ook door op bezoek te gaan en informatie te vergaren bij andere onderzoeksinstituten. Hierbij was het dus niet persé noodzakelijk om een vaste werkplek te krijgen binnen de onderzoeksgroep waar wij stage hebben gelopen. Wel hebben we toegang gekregen tot pc s van de faculteit werktuigbouwkunde en maritieme techniek. Het was voor ons op deze manier veel gemakkelijker om toegang te krijgen tot artikelen die gepubliceerd zijn in wetenschappelijke tijdschriften. Normaal gesproken moet men eerst geabonneerd zijn om een artikel te mogen downloaden bij een bepaald tijdschrift. De TU Delft heeft al contracten afgesloten met veel tijdschriften zodat het voor studenten binnen de TU Delft mogelijk is om artikelen gratis te downloaden. Onze zoektocht naar informatie is begonnen met het verzamelen van zoveel mogelijk informatie over het onderwerp. In het begin is dit als het zoeken naar een speld in een hooiberg omdat er talloze onderzoeken zijn gedaan naar eencelligen. Maar al snel raakten we bekend met een aantal begrippen die gebruikt worden bij het voorbewegen en konden we gerichter gaan zoeken binnen de gepubliceerde artikelen. Voor onze stage hebben we bezoek gebracht aan een aantal onderzoeksinstituten. Zoals het microbiologisch laboratorium van de universiteit Wagingen en het laboratorium voor microbiologie van de Vrije Universiteit. Hier hebben wij gesproken met professoren over voortbewegingsmechanismen bij eencelligen. Ook kregen wij hier veel tips om gericht te zoeken naar bruikbare artikelen. Zo kan het bijvoorbeeld handig zijn om een review te zoeken over een voortbewegingsmechanisme. In een review wordt overzichtelijk samengevat wat er in een bepaald jaar allemaal ontdekt is over een bepaald onderwerp. Via de literatuurlijst die bij zo n review kunnen dan de bijbehorende artikelen opgezocht worden. Artikelen kunnen met google opgezocht worden maar PubMed is volgens de professoren die wij gesproken hebben wel de zoekmachine voor wetenschappelijke artikelen. De werkwijze die we gevolgd hebben om tot de realisatie van dit rapport te komen is als volgt. In de eerste periode hebben we zo breed mogelijk in de literatuur naar informatie gezocht. Nadat we een goed beeld hadden verkregen van de beschikbare informatie zijn we overgegaan tot het bedenken van een logische indeling van het rapport, dus realisatie van de inhoudsopgave. Vervolgens zijn we met de inhoudsopgave als kapstok van ons rapport de hoofdstukken gaan uitwerken. Onze dank gaat vooral uit naar Paul Breedveld, onze stage begeleider, die ons vele adviezen heeft gegeven en tussentijds vele verbeteringen aan ons rapport heeft toegevoegd. 4

5 Verklarende woordenlijst Axoneem Axopodium Bacterie Cilium Cytoplasma Dyneïne arm Endoplasma Eukaryoot Filopodium Flagellum Lamellipodium Laminaire stroming Mastigonemata Een stelsel van proteïnen, die de kern vormt van (protisten) flagella en cilia. In feite vormt het axoneem de machinerie waarmee de flagella en cilia kunnen bewegen. Flagella- / cilia-achtige structuren die de Heliozoa gebruiken om over een ondergrond te rollen. Een ééncellig micro-organisme, behorend tot de prokaryoten. Een structuur die ook wel aangeduid wordt als trilhaartje. Bepaalde soorten protisten gebruiken cilia om door een vloeistof te zwemmen. Cilia staan dicht opeen. Hoewel ze kleiner zijn dan eukaryote flagella, zijn beide structuren hetzelfde opgebouwd. De vloestof in een cel. Het motormolecuul in het axoneem. Dit molecuul maakt het mogelijk dat de paren microtubuli ten opzichte van elkaar kunnen glijden. Het meer naar binnen gelegen cytoplasma. Grieks: eu =goed en karuon = noot, celkern. Deze cel bezit een kern en andere organellen. Bij plantaardige cellen is de celvloeistof omgeven door een cel- membraan en een celwand. Bij dierlijke cellen ontbreekt de celwand. Een heel dun pseudopodium. Een structuur die ook wel aangeduid wordt als zweepstaart. Zowel prokaryoten als eukaryoten kunnen flagella gebruiken om door een vloeistof te zwemmen. Hoewel het prokaryote flagellum en het eukaryote flagellum functioneel gezien overeenkomen, verschillen ze qua opbouw fundamenteel. Een breed en platgevormd pseudopodium. Dit treedt op wanneer een lichaam zich langzaam door een vloeistof heenbeweegt. De stroming van de vloeistof dichtbij het lichaam beweegt dan parallel aan het lichaam. De korte haarachtige structuren waarmee de flagella van sommige soorten protisten bedekt zijn. De mastigonemata bewegen in het zelfde vlak als de flagella. 5

6 Metaboly Microtubule Mitochondriën Pellicle Peripheral cytoplasma Pilus Prokaryoot Protist Pseudopodium Reynolds-kengetal Traagheidsweerstand Viscositeit De protist Euglena bewegen zich voort door hun lichaam te vervormen. Deze beweging is typisch voor deze soort en wordt de metaboly genoemd. Ze gebruiken het om hun zwaartepunt te verplaatsen, wat resulteert in een beweging. Een uit het proteïne tubuline opgebouwd buisvormige structuur. Deze structuur is een onderdeel van het axoneem. Zorgen in eukaryotische cellen voor de energieproductie. Gedacht wordt dat mitochondriën eerst bacteriën waren die later zijn opgenomen in de eukaryotische cel. Specifiek voor de Euglena: een dunne flexibele laag bestaande uit spiraalsgewijs gevormde eiwitten die in stroken overlappend over elkaar heen lopen en zo de richels en groeven van de celwand vormen. Het tegen de celwand aan gelegen cytoplasma. Uitsteeksel waarmee bepaalde bacteriën zich voortbewegen. De bacterie steekt de pilus uit, deze hecht zich aan de ondergrond, en de bacterie trekt zich aan de pilus op. Grieks: pro = voor en karuon = noot, celkern. Een primitief gebouwde cel. Er is geen kern aanwezig. Het erfelijk materiaal (DNA) ligt los in de celvloeistof. Ook andere celorganellen ontbreken. De celvloeistof is omgeven door de celmembraan en de celwand. De bacteriën behoren tot deze groep. De eencelligen onder de eukaryote micro-organismen. Er is een grote verscheidenheid aan protisten en ze kunnen in verschillende milieus voorkomen. Uitstulping die onder andere de Amoeba gebruiken om zich voort te bewegen. De verhouding van de krachten ten gevolge van traagheidsweerstand gedeeld door de viscositeit. Het Reynolds-kengetal is een belangrijk concept bij de stromingsleer. Wanneer een lichaam versneld wordt, dan zal dat lichaam zich verzetten tegen de oorzaak van de versnelling, namelijk de erop uitgeoefende kracht. Dit heet traagheidsweerstand. Een eigenschap van vloeistoffen die aangeeft hoe snel de vloeistof kan stromen. Dit wordt ook wel stroperigheid genoemd. 6

7 Inhoudsopgave Voorwoord Verklarende woordenlijst Inhoudsopgave IV V VII 1 Inleiding 8 2 Voortbewegen op kleine schaal Introductie Zwemmen als je klein bent Leven met lage Reynolds getallen 10 3 Onderverdeling van eencelligen 12 4 Voortbeweging bij bacteriën Zwemmen met zweepstaart Introductie Toepassing van de schroef: bacteriën waren ons voor De onderdelen van het flagellaire apparaat Het gebruik van flagella bij diverse soorten Zwemmen zonder zweepstaart Voortbewegen door te glijden Introductie Groepsgewijze vorm van glijden Individuele vorm van glijden Glijden door eiwit verplaatsing in de celwand 23 5 Voortbeweging bij protisten Zwemmen met zweepstaart Introductie Opbouw flagellum / cilium Bewegingen van flagella Bewegingen van cilia Machinerie van de flagella en cilia Voortbewegen met axostyle Lopen met flagella en cilia Kartagener syndroom Voortbewegen door uitstulpingen Introductie Voortbeweging bij amoebes Voortbeweging van cellen binnen ons menselijk lichaam Voortbeweging bij Ascaris sperma cel Voortbeweging bij Foraminifera Voortbewegen door zwaartepuntverplaatsing 39 6 Discussie 41 7 Samenvatting 43 literatuurlijst 45 Bijlage I Informatieverwerkende bacterie 46 Bijlage II Obstakels omzeilende protist 50 7

8 Hoofdstuk 1: Inleiding Binnen het darmonderzoek aan de sectie Mens-Machine Systemen van de faculteit Werktuigbouwkunde van de TU Delft worden er nieuwe systemen en prototypes vervaardigd ter verbetering van medische instrumenten. Hiertoe is niet lang geleden onder leiding van Dr.ir.P. Breedveld een bijzonder stuurbare endoscoop ontwikkeld. Het stuurmechanisme, waarop octrooi is aangevraagd, is gebaseerd op de tentakel van een inktvis en kan zeer klein worden uitgevoerd (zie de figuren 1.1 en 1.2). Het prototype heeft thans een diameter van 5mm. Verdere miniaturisatie lijkt echter geen probleem te zijn zodat toepassing voor hartchirurgie ook binnen de mogelijkheden ligt. Eén van de doelstellingen bij het ontwikkeling van zo n mechanisme is dat het geïnspireerd moet zijn door mechanismen zoals die in de natuur zijn te vinden. Hiervoor is veel literatuurstudie naar deze mechanismen vereist. Dit rapport zal daarom een overzicht geven van de gevonden voortbewegingsmechanismen bij eencelligen. Eencelligen zijn zeer klein in omvang, veel kleiner dan een millimeter en dus niet zichtbaar met het blote oog. De Nederlander Antoni van Leeuwenhoek was de eerste die deze organismen bestudeerde. In de zomer van 1674 nam Van Leeuwenhoek een beetje troebel water uit een meer vakbij zijn huis in Delft en bestudeerde dat door een microscoop die hij zelf in elkaar had gezet. Er openbaarde zich een nieuwe wereld van organismen die tot dan toe onzichtbaar waren geweest. Eén van de meest opvallende eigenschappen van de organismen die Van Leeuwenhoek observeerde, was hun wonderbaarlijke gedrag en beweging. In dit rapport zullen de verschillende mechanismen besproken worden die door eencelligen worden gebruikt om zich voort te bewegen. In hoofdstuk 2 zal duidelijk worden gemaakt dat beweging door een vloeistof voor een eencellige heel anders voorgesteld moet worden dan we gewend zijn. Vervolgens zal er in hoofdstuk 3 een verdeling worden gemaakt onder de eencelligen op basis van bepaalde karakteristieke eigenschappen. Hoofdstuk 4 bespreekt de voortbewegingsmechanismen van bacteriën. Hoofdstuk 5 bespreekt de voorbewegingsmechanismen van protisten, welke zich duidelijk van bacteriën onderscheiden door de aanwezigheid van een celkern. Vervolgens zal er in de hoofdstuk 6 gekeken worden of er mechanismen zijn bij eencelligen die toegepast zouden kunnen worden in een medisch instrument. Vervolgens wordt in de samenvatting alles nog eens bondig doorgenomen. Na de samenvatting volgen er nog een aantal bijlagen met informatie over de wijze waarop bacteriën de weg kunnen vinden naar hun voedingstoffen. Figuur 1.1: Doorsnede van een inktvis arm. Doormiddel van een krans van spieren is de inktvis in staat de arm in allerlei richtingen te buigen [Breedveld et.al., 2005]. Figuur 1.2: Nieuw ontwerp van het buigzame gedeelte van een endoscoop. Ontwerp is tot stand gekomen door inspiratie van de inktvis arm [Breedveld et.al., 2005]. 8

9 Hoofdstuk 2: Voortbewegen op kleine schaal 2.1 Introductie Overal om ons heen leven talloze organismen die wij niet met het blote ook kunnen waarnemen. De eencelligen vertegenwoordigen het grootste deel van alle organismen op aarde. Ze bevinden zich in de grond, in het water en er zijn zelfs meer bacteriële cellen dan menselijke cellen in ons eigen lichaam. Eencelligen komen op plekken voor waar grotere organismen niet zouden kunnen overleven. Zo zijn er bacteriën gevonden uit grondmonsters van boringen op honderden meters diep. Eencelligen hebben een grote invloed op ons milieu, zo zorgen ze voor een groot gedeelte van de zuurstofproductie en breken ze planten en dierenresten af, waarbij er weer voedingsstoffen vrijkomen. Een eencellige is zo klein dat hij voor de verdeling van voedingstoffen door de cel slechts gebruik hoeft te maken van diffusie. Voor organismen groter dan 1 micrometer voldoet diffusie niet meer. Deze zijn afhankelijk van een vatenstelsel. Tevens is het voor eencelligen niet nodig om speciale structuren aan te maken als kieuwen of longen voor de opname van voedingsstoffen. Dit komt door hun gunstige oppervlakte/volume verhouding. Bewegen is een efficiënt middel om voedingstoffen, licht of een partner te vinden. Eencelligen kunnen op eigen kracht niet ver komen, maar dat is ook niet nodig. Het chemische milieu verandert namelijk al aanzienlijk over een afstand van slechts een millimeter. 2.2 Zwemmen als je klein bent Veel eencelligen leven in een vloeistof. Door hun kleine afmeting moeten ze hier echter heel anders doorheen bewegen dan wij dat zouden doen. Dit komt doordat de eigenschappen van vloeistoffen op microschaal een hele andere invloed hebben dan op macroschaal. Viscositeit of stroperigheid is een eigenschap van vloeistoffen die aangeeft hoe snel de vloeistof kan stromen. Als een object zich door een stilstaande vloeistof voortbeweegt, dan moet de vloeistof er rond omheen worden geleid, zodat er aan de voorkant ruimte ontstaat en de ruimte erachter wordt opgevuld. De snelheid van het object wordt tegengewerkt door de traagheidsweerstand van de vloeistof. Deze wrijving die de stroming van de vloeistof tegenwerkt is de viscositeit van de vloeistof. Het gedrag van een vloeistof is gelijkmatig en voorspelbaar als het heel langzaam langs een vast object vloeit (zie figuur 2.1). Alle deeltjes bewegen zich vrijwel parallel ten opzichte van elkaar. De vloeistof aangrenzend aan het object beweegt niet ten opzichte van het object, maar de daaraan grenzende deeltjes glijden er langs. Daarbij is de stroming van de vloeistof dichtbij het lichaam parallel aan het object. Deze gelijkmatige beweging van de vloeistof heet laminaire stroming. Als het object met toenemende snelheid door de vloeistof beweegt dan veranderd de laminaire stroming. De vloeistof moet steeds sneller uit de weg en sneller achteraan aansluiten en uiteindelijk weer tot stilstand komen achter het object. Bij een bepaalde snelheid is de weerstand van de vloeistof zodanig dat deze niet meer snel genoeg laminair om het object kan stromen. Het stromingspatroon gaat dan over in golven en wervelingen en er ontstaat turbulentie. Het stromingspatroon wordt dan onvoorspelbaar. De aanzet tot turbulentie kan voorspeld worden door het kengetal van Reynolds. Het ontstaan van turbulentie kan verklaard worden door een verandering in het aandeel van viscositeit en traagheidsweerstand. Bij lage snelheden kan de vloeistof makkelijk wegstromen van het object en ondervindt het weinig weerstand. Er treedt een laminaire stroming op. Bij laminaire stroming overheerst viscositeit dus over traagheidsweerstand. Als het object sneller beweegt moet de vloeistof ook sneller gaan stromen. Er treedt nu echter traagheidsweerstand op die de stroming van de vloeistof tegen gaat werken. Bij turbulentie overheerst dus de traagheidsweerstand over de viscositeit van de vloeistof. 9

10 R=10-2 R=20 R=100 Figuur 2.1: Bij lage Reynoldskengetallen (R =< 1) treed er een gelijkmatige en laminaire stroming op. Bij hogere snelheden en dus ook hogere Reynolds-kengetallen ontstaan er wervelingen en neemt de stroming chaotische vormen aan. Uiteindelijk zullen deze stromingen opbreken in turbulentie (nagetekend uit [Dusenbery, 1996]). R= R= Leven met lage Reynolds getallen Het Reynolds-kengetal is een belangrijk concept bij het bestuderen van stroming en is gelijk aan de verhouding van de krachten ten gevolge van traagheidsweerstand gedeeld door de viscositeit. De krachten ten gevolge van de traagheidsweerstand zijn gelijk aan het product van de volgende factoren: - de dichtheid van de vloeistof, - de lengte van een bepaald object (de afstand waarover de vloeistof het object moet ontwijken), - de snelheid van de vloeistof ten opzichte van het object. Dit product, gedeeld door de viscositeit, is het Reynolds-kengetal. Dit getal heeft geen dimensie omdat alle eenheden tegen elkaar zijn weggevallen. Het voordeel van het Reynoldskengetal is dat het stromingspatroon bij een bepaald getal vaststaat, ongeacht de onderlinge verhouding van de viscositeit, dichtheid of snelheid onderling. De overgang waarbij er turbulentie op kan treden liggen bij Reynolds-kengetallen tussen de 1 en Eencelligen hebben een Reynolds-kengetal dat zich ver beneden de 1 bevindt, zo rond de Ze zullen dus zeker geen last hebben van turbulentie. Vrijwel alle andere dieren hebben hoge Reynoldskengetallen en ondervinden dus turbulentie. De viscositeit van water zou keer zo hoog moeten zijn als we als mens hetzelfde Reynolds-kengetal wilde hebben als een eencellige. Als de lucht zo n viscositeit had, dan zou een menselijk lichaam naar beneden vallen met een snelheid van slechts een millimeter per uur. Het is dus duidelijk dat eencelligen geen hinder ondervinden van traagheidsweerstand omdat in hun wereld de viscositeit van veel groter belang is. Een aspect bij lage Reynoldskengetallen is dat de stroming omkeerbaar is. Door deze omkeerbaarheid kan een eenvoudige voorwaartse en achterwaartse beweging van een buigzame structuur niet in voortbeweging resulteren. Een kamschelp bijvoorbeeld, zwemt door zijn twee kleppen open en dicht te doen. Het dier stuwt zich schoksgewijs achteruit omdat de snelheid van openen en sluiten niet gelijk is: de kleppen gaan langzaam open en sluiten heel vlug. Dat snelle dichtgaan produceert een krachtige waterstraal en de traagheidsweerstand daarvan stuwt de schelp achteruit. Een kleine kamschelp in een omgeving met een laag Reynolds-kengetal zou zich niet op deze manier 10

11 kunnen bewegen, omdat de traagheidsweerstand te laag zou zijn. Deze theorie heet de schelptheorie [Purchell, 1973]. Sommige cyclische bewegingspatronen, zoals bij de kamschelp, kunnen in omgekeerde richting plaatsvinden aangezien één helft van de cyclus hetzelfde bewegingspatroon heeft als de andere helft, maar dan in omgekeerde volgorde (A B C B A). Er zijn ook cyclische patronen die niet in omgekeerde richting plaats vinden, maar via een reeks van vormen die verschillen van de voorgaande (A B C D A). Mogelijke bewegingsvormen zijn te zien in figuur 2.2. Bij lage Reynolds-kengetallen zal een organisme alleen kunnen voortbewegen met een cyclus die niet in omgekeerde richting plaats kan vinden. Iedere niet omkeerbare verandering in vorm resulteert in een netto beweging. Bij sommige niet omkeerbare bewegingspatronen schiet een organisme op veel efficiëntere wijze vooruit dan bij andere patronen. De meest efficiënte manier is moeilijk te voorspellen.verschillende typen zwemmende eencelligen gebruiken uiteenlopende soorten van vormveranderingen om zich door een vloeistof voort te bewegen 1 A B C B A 2 A B C D A Figuur 2.2: Bewegingspatronen van een lichaam bestaande uit drie stangen. 1:Schematische weergave van een omkeerbare cyclische beweging waarbij volgens de schelp theorie netto geen beweging op zal treden. 2: Niet omkeerbare cyclische beweging waarbij er netto wel beweging mogelijk is. 11

12 Hoofdstuk 3: Onderverdeling van eencelligen Vroeger werden eencelligen niet gezien als een aparte soort. Eencelligen die fotosynthese uitvoerden, werden geclassificeerd in het plantenrijk, en eencelligen die voedsel verteerden, werden in het dierenrijk geplaatst. In de 19e eeuw, echter, hadden wetenschappers een groot aantal eencelligen geïdentificeerd met diverse celstructuren, zeer specifieke interne structuren en special reproductieve patronen, waardoor ze zich realiseerden dat deze organismen nog tot het planten-, nog tot het dierenrijkdom behoren. Eencelligen worden op dezelfde wijze als planten en dieren ingedeeld naar hun celkarakteristieken. Er kunnen twee soorten eencelligen worden onderscheiden. De eerste soort wordt prokaryoten genoemd. Karyot betekend kern, prokaryot betekend dus voor de kern. Prokaryoten zijn omgeven door een membraan, maar ze bevatten geen organellen of celkern. De tweede soort wordt eukaryoten genoemd wat echte kernen betekent. De cellen die tot de eukaryoten behoren bevatten kernen en andere interne organellen zoals, mitochondriën die omgeven zijn door een membraan. Mitochondriën zorgen in eukaryotische cellen voor de energieproductie. Gedacht wordt dat mitochondriën eerst bacteriën waren die later zijn opgenomen in de eukariotische cel [Margulis, 1981]. Bacteriën zijn eencellige prokaryote micro-organismen. Bacteriën zijn heel belangrijk voor andere organismen, omdat ze organische materie afbreken. Tijdens dit proces worden er voedingsstoffen gevormd, die hergebruikt worden door planten en dieren. Sommige bacteriën kunnen ziektes veroorzaken, maar de meeste zijn zeer bruikbaar omdat ze dieren helpen bij de afbraak van voedsel in hun lichaam. Bacteriën verschillen van andere cellen omdat ze geen kern hebben. Bij planten en dieren kun je in de kern het DNA (waarin zich de genetische informatie bevindt) vinden. Bij bacteriën drijft de genetische informatie los in de cel in de vorm van een groot circulair molecuul. Daarnaast kunnen er nog relatief kleine circulaire DNA moleculen aanwezig zijn. Bacteriën reproduceren zichzelf door eerst hun DNA te kopiëren en vervolgens hun cel te splitsen. Bacteriën bezitten ook geen membraan gebondenorganellen, zoals mitochondriën, de celstructuren die betrokken zijn bij het energie productie. Bacteriële cellen zijn zo klein, dat wetenschappers ze meten in micrometers (µm). De grootte van een bacterie varieert van ongeveer 0,1 µm tot 40 µm. Een gemiddelde bacterie is ongeveer 1 µm lang [Wilkinson,1986]. Protisten zijn de eencelligen onder de eukaryote micro-organismen. Er is een grote verscheidenheid aan protisten en ze kunnen in verschillende milieus voorkomen, zoals zoet water, zeewater, de bodem, en de ingewanden van dieren, waar ze belangrijke verteringsprocessen ondersteunen. In protisten bevindt het DNA zich in de kern en bij aanwezigheid ook in mitochondriën en de chloroplasten. Mitochondria en chloroplasten delen zich onafhankelijk van de kern en volgen in principe een eigen tijdscyclus. Ze worden echter wel aan einde van een celdeling, als deel van het cytoplasma met de andere celorganellen over de nieuwe dochtercellen verdeeld. Protisten zijn veel groter dan bacteriën en worden gemeten in millimeters. 12

13 Hoofdstuk 4: Voortbeweging bij bacteriën 4.1 zwemmen met een zweepstaart Introductie In deze paragraaf zal gekeken worden naar de voortbeweging bij bacteriën door middel van zweepstaarten. In de literatuur worden deze zweepstaarten doorgaans 'flagella' genoemd. Allereerst komt de manier waarop bacteriën de flagella gebruiken ter sprake. Ze blijken de flagella te gebruiken als een schroef waarmee ze zich door de hun omringende vloeistof bewegen. Hierna zullen de onderdelen van het flagellaire apparaat genoemd en toegelicht worden. Tot slot zullen de diverse manieren waarop flagella uitgevoerd worden aan bod komen. In deze paragraaf wordt uitsluitend het bewegingsapparaat van de bacteriën behandeld. Over het zintuiglijk apparaat kan meer gelezen worden in bijlage I van dit verslag: "informatieverwerking" Toepassing van de schroef: bacteriën waren ons voor Het meest eenvoudige mechanisme voor beweging bij lage Reynolds-kengetallen wordt ook gebruikt om motorboten vooruit te stuwen: een propeller of schroef die continu in dezelfde richting ronddraait [Dusenbery, 1996]. Veel bacteriën maken ook gebruik van dit principe, ze gebruiken hiervoor hun flagella. Dit flagellum is schroefvormig. Het roterende schroefvormige element veroorzaakt een voortstuwende kracht doordat de remmende viskeuze kracht voor verplaatsing in lengte richting twee keer zo laag is als die voor de verplaatsing in zijwaartse richting [Dusenbery, 1996]. Hoe de bacterie dit principe gebruikt kan gezien worden in onderstaande figuur 4.1. Figuur 4.1: Schematische voorstelling van een bacterie die met behulp van een spiraalvormig flagellum door een vloeistof zwemt. Het flagellum roteert en oefent aldus krachten uit op de omringende vloeistof. Er is een kracht ( aangeduid met L) in de lengterichting van het flagellum, en er is een kracht ( aangeduid met H) in de richting loodrecht op het flagellum. Kracht H is groter dan L en zorgt voor de voorwaartse stuwing, doordat de reactiekracht van uit de omringende vloeistof tegen het flagellum aanduwt [ vrij naar Dusenbery, 1996]. Omdat het verschil in weerstand slechts een factor 2 is, gaat de schroef slippen, en verplaatst het zich minder snel vooruit dan wanneer het tegen een vaste structuur zou duwen [Dusenbery, 1996]. Wat de efficiëntie nog eens beperkt is dit: de kracht waarmee het flagellum geroteerd wordt, zorgt er tevens voor dat de cel in tegenovergestelde richting gaat draaien. Voor iedere veertien omwentelingen van het flagellum, wentelt de cel één keer om in 13

14 tegenovergestelde richting. Als de cel recht van vorm is gaat er extra energie verloren bij de rotatie. Dit zou kunnen verklaren waarom sommige bacteriën spiraalvormig zijn [Dusenbery, 1996]. Figuur 4.2: De rotatie van flagella. Hierin is: CCW de draaiing van de bundel tegen de klok in, CL het cellichaam, HA de as van de helix, de naar boven wijzende pijl, naast het cellichaam, de zwemrichting van de cel, het oog onder de helix-as het gezichtspunt ten opzichte waarvan de draairichting beschreven wordt [Bray, 2001]. Flagella vormen samen een bundel, die de vorm heeft van een schroef. Dit is omdat een flagellum is gemaakt van een eiwitkristal in de vorm van een dun spiraalvormig filament. Deze spiraal is linkshandig. Deze geometrische eigenschappen kunnen gebruikt worden om te sturen. Want als de bacterie tegen de klok indraait ( gezien vanaf het uiteinde van het flagellum naar de cel toe) dan dwingt de viscositeit ze een bundel te vormen die net als de schroef van een schip fungeert om de cel vooruit te duwen. Dit ziet er uit als een mooie rechte beweging, in de literatuur aangeduid met de term run. Dit is weergegeven in figuur 4.2a Als ze in tegengestelde richting zouden roteren ( dus met de klok mee vanuit hetzelfde 14

15 gezichtspunt gezien) dan zou de bundel uit elkaar vallen en ieder zweephaartje zou de cel in een andere richting trekken, wat dan tot chaotische bewegingen leidt. Dit wordt tumble genoemd. Zie hiervoor figuur 4.2b. Draait het flagellum na zo'n tumble weer met de klok mee, dan ontstaat er een run in een willekeurige richting. De kans is altijd zeer groot dat de run na een tumble een andere richting opgaat dan de run voor de tumble. Dit gedrag speelt een belangrijke rol in een proef ondervindelijke zoekstrategie die de bacterie E.coli gebruikt om bijvoorbeeld plekken met de hoogste concentratie voedingstoffen te vinden. Hier wordt dieper op ingegaan in bijlage I: "Informatieverwerkende bacterie" De onderdelen van het flagellaire apparaat Allereerst wordt hieronder een afbeelding van het flagellaire apparaat weergegeven, verder in de tekst zullen de onderdelen besproken worden. Figuur 4.3: Schematische weergave van het flagellaire apparaat. Hierin is: BM het buitenste membraan, PM het binnenste membraan. R de structuren die fungeren als 'rotor' en tevens de draairichting reguleren, S de structuren die dienen als 'stator', P protonen, C het celplasma, H de haak en F het flagellum. De protonen diffunderen van de ruimte die begrensd wordt door BM en PM tussen de rotor en de stator door naar het celplasma. Zo zorgen ze voor een aandrijvende kracht [Bray, 2001]. De opbouw van het flagellum Het flagellum ( F in figuur 4.3)van bacteriën is een holle cilinder die van het eiwit flagelline is gemaakt. De flagellinemoleculen zijn aan elkaar gezet in rijen die protofilamenten worden genoemd. Het flagellum is een cilinder die uit 11 van die protofilamenten naast elkaar bestaat. 15

16 Het flagellum wordt niet omgeven door een celmembraan en is dus in direct contact met het omringende medium. De golfvorm van het flagellum is genetisch bepaald en drukt zich uit in de zelf-assembleer-eigenschappen van zijn flagelline. Om deze reden valt aan te nemen dat de flagelline in meer dan één vorm voorkomt. De aaneenzetting van identieke subeenheden, kan alleen een rechte cilinder vormen en geen holle spiraarvormige buis. Dat laatste is namelijk het geval bij het bacteriële flagellum. Een algemeen geaccepteerd model stelt dat elk protofilament in een flagellum, uniform over de gehele lengte één van de twee vormen van flagelline aanneemt. Een protofilament kan hierdoor naar verhouding langer of korter zijn. De kortere protofilamenten verdraaien het flagellum tot een spiraal. De eigenlijke golfvorm wordt bepaald door de verhouding tussen het aantal kortere en langere protofilamenten in een flagellum. Figuur 4.4: De configuratie van flagelline moleculen. De patronen aan de linkerzijde vertonen de plaatsing van flagelline moleculen (FM) in cilindrische flagella, de cilinder is als het ware geopend en uitgerold om de 11 kolommen protofilamenten te tonen. Rechts van dit patroon is te zien zo'n flagellum (SF) recht is. In het onderste patroon zijn verkorte protofilamenten (SP) te zien. Deze protofilamenten zijn korter omdat ze zijn opgebouwd uit anders gevormde flagelline moleculen. Aldus ontstaat een helix-vormige flagellum (HF) [Bray 2001] Bij de bouw van een flagellum worden de flagelline moleculen in de cel aangemaakt en vervolgens worden ze door de holle kern van het zich ontwikkelende flagellum naar het distale flagellaire uiteinde getransporteerd. Omdat het flagellum louter uit het eiwit flagelline bestaat, is het zeer onwaarschijnlijk dat er moleculaire motors werkzaam zijn die voor het transport door het flagellum zorgen. Eerder lijkt het erop dat flagelline moleculen simpelweg door diffusie getransporteerd worden. De eigenschappen van een eiwit wordt niet alleen door de volgorde van de aminozuren waar hij uit is opgebouwd bepaald, maar ook door zijn ruimtelijke structuur. Het eiwit moet op een bepaalde manier gevouwen zijn. Gezien de breedte van de holle kern van het flagellum (3 nm bij E.coli) lijkt het er niet op dat de flagelline moleculen in gevouwen toestand er doorheen kan. Dus waarschijnlijk gaat het hele transport als volgt: aan de basis van het 16

17 flagellum wordt de flagelline door speciale eiwiten ontvouwen, vervolgens reist de flagelline door de holle kern van het flagellum in aanbouw en aan het distale uiteinde wordt door een eiwit weer opnieuw gevouwen. De flagellaire haak Het flagellum is met de motor verbonden door een korte structuur de bekend staat als de flagellaire haak. Deze haak is zowel sterk als flexibel en stelt het flagellum in staat om zijn orientatie ten opzichte van het cel oppervlak te veranderen, terwijl het koppel van de motor wordt overgedragen op het flagellum. Hoe deze structuur om een gebogen lengte-as kan draaien is op basis van de literatuurstudie helaas niet duidelijk geworden. De flagellaire motor De flagellaire motor heeft net als een electromotor een rotor en een stator ( R en S in figuur 4.4). Het is eigenlijk zelfs zo dat de flagellaire motor een electromotor is. De motor heeft ook een aandrijfas, in de literatuur aangeduid met rod, wat als stang vertaalt kan worden. De stang gaat over in de flagellaire haak (H in figuur 4.4). De rod wordt omgeven door ringachtige structuren, welke vermoedelijk als een soort lager dienst doen. De flagellaire motor wordt aangedreven door een concentratieverschil van H + ionen over het plasmamembraan. Deze ionen worden naar buiten gepompt door de oxidatie van voedingstoffen. Hierdoor is er buiten het celplasma een hoge concentratie van H + ionen, en in het celplasma een lage concentratie van deze ionen. De naar buiten gepompte protonen willen door het concentratieverschil terug het celplasma in diffunderen. Dit kan door kanalen die naar alle waarschijnlijkheid gevormd worden door de structuren die de rotor vormen. De diffusiestroom van de protonen is derhalve de energiebron voor de flagellaire motor. Hoe de H + ionen nu precies worden gebruikt als aandrijving is niet met zekerheid bekend. Twee soorten theoriën zijn hierover in omloop. De ene klasse wordt zogezegd aangeduid als tightly coupled modellen, de andere klasse wordt loosely coupled genoemd. Bij de tightlycoupled-modellen is er als het ware een 1 op 1 relatie tussen elk passerende proton en de rotatie van de motor. Wellicht is dit goed te vergelijken met een draaideur waar maar één persoon per keer doorheen kan. Die ene persoon zorgt tijdens zijn/haar passage voor het draaien van de deur. De loosely-coupled-modellen zijn qua mechanisme meer te vergelijken met een turbine. De draaing wordt door de algehele stroom van de ladingen veroorzaakt, niet door de bewegingen van individuele protonen. Dit kan bijvoorbeeld als volgt geschieden: De rotor heeft afwisselende lijnen van positive en negatieve ladingen op het oppervlak. Deze lijnen staan schuin ten opzichte van de richting van de rotor-as. Als de protonen naar binnen stromen door de kanalen die aan de rotor grenzen, dan zullen de ladings-interacties de rotor doen draaien. Dit gebeuren is weergegeven in figuur 4.5. Verandering van draairichting kan bewerkstelligd worden door de hoek van de ladingslijnen op het rotoroppervlak ten opzichte de rotor-as te veranderen. Dit omschakelen zou ook electrostatisch kunnen plaatsvinden: De draairichting hangt dan af van het aantal door de protonen bezette negatief geladen bindingsplaatsen in het protonenkanaal. Dit wordt dan geregeld door de pk waarde (de zuurgraad) van de bindingsplaatsen. Uit theoretische analyse is naar voren gekomen dat als er door een lage pk waarde weinig bindingsplaatsen bezet zijn, dat er dan netto een positieve ladingsverplaatsing de cel in plaats vindt, dit is te zien in figuur 4.6a. Als echter de pk waarde hoog is, dan zullen de protonen de bindingsplaatsen dicht bezetten. De protonen hoppen dan van plaats naar plaats de cel in, terwijl er een beweging in tegengestelde richting is van proton-gaten ( niet bezette plaatsen). Hierdoor zal de rotor van draairichting veranderen (figuur 4.6b). 17

18 Figuur 4.5: Het elektrostatisch model van de flagellaire motor. Hierin is: S de stang, CM het celmembraan, K het kanaal waardoorheen de H + ionen gaan, R de rotor. De plussen en minnen op de rotor geven ladingslijnen aan. Figuur 4.6: Het electrostatisch omschakel model. t staat voor de tijd. De zwarte rondjes stellen protonen voor, de grijze rondjes vertegenwoordigen de onbezette bindingsplaatsen [Bray 2001] Het gebruik van flagella bij diverse soorten Bacteriën kunnen op verschillende manieren uitgerust zijn met flagella. Sommige hebben er slechts één flagellum. Vaak hebben bacteriën echter meerder flagella. Het kan zijn dat deze flagella zich aan de uiteinde van cel bevinden of zelfs aan beide uiteinden van de cel. Men noemt ze in dat geval polaire flagella. Het kan echter ook zijn dat de flagella op willekeurige 18

19 plaatsen op de cel geplaatst zijn. Al eerder in deze paragraaf was te lezen dat de flagella als één schroef fungeren bij een bepaalde draairichting. Het blijkt zo te zijn dat dergelijke cellen efficiënter zwemmen in visceuze oplossingen zoals in het darmkanaal van de mens, dan cellen met polaire flagella [Dusenbery, 1996]. Laatstgenoemden zwemmen echter weer beter in minder visceuze milieus zoals meren en oceanen. Dan zijn er ook nog bacteriën met lange dunne spiraalvormige cellichamen. Sommige daarvan zijn meer dan 100 keer langer dan breed. Een voorbeeld hiervan is de Spirillum volutans. Aan beide uiteinden van de spiraalvormige cel steken flagella. Door het draaien van deze flagella roteren de cellen in tegenovergestelde richting en schroeven ze zich door de omringende vloeistof. In figuur 4.7 is de Spirillum volutans weergegeven. Figuur 4.7: Afbeelding van de Spirillum volutans. Deze bacterie 'schroeft' zich met zijn cellichaam door de vloeistof [Eisenbach, 1996]. Minder goed begrepen is de voortbeweging van spirocheten. In de soort Leptospira bevindt zich aan elk uiteinde van de cel een flagellum. Elk flagellum zit vast aan een motor en wijst in de richting van het midden van de cel, langs de spiraal-as van het cellichaam. De flagella zitten dus naar binnen gevouwen. Ze komen totaal niet in contact met het omringende medium, want ze bevinden zich binnen het buitenmembraan. Gedacht wordt dat beide motoren in een ten opzichte van elkaar tegenovergestelde richting draaien. Hierdoor zou de cel gaan wentelen en zich aldus een weg door het omringende medium schroeven, dit speculatieve idee is gevisualiseerd in figuur 4.8. Sommige soorten kunnen zich in zwermverband met soortgenoten voortbewegen. Daartoe maken ze extra flagella aan en die verbinden ze met die van hun buren. Dit gedrag wordt vertoond wanneer deze bacteriën met een toegenomen viscositeit van het omringende medium geconfronteerd worden [ di Primio, 2000]. Figuur 4.8:. De vermoedelijke manier waarop de spirocheet zich pleegt voort te bewegen. Hierin is: CL het cellichaam, R de rotatierichting van het cellichaam, M1 en M2 zijn motoren [Bray, 2001]. 19

20 4.2 Zwemmen zonder zweepstaart De eencellige cyanobacterie heeft een belangrijke positie onderaan de voedselketen in zee. Cyanobacteriën zijn de meest voorkomende fotosynthetische organismen in de oceanen. De meeste cyanobacteriën bewegen door te glijden over oppervlakken, maar de Synechococcus heeft een unieke manier om door een vloeistof te bewegen. De Synechococcus bezit geen flagel of andere zichtbare organellen om zich voort te bewegen. Het zwempatroon lijkt desondanks toch op de manier zoals bacteriën met een flagel zich zouden voortbewegen. De cel draait om zijn lengte-as als hij zich verplaatst. Cellen die op een glasplaatje zijn vastgezet gaan roteren om het punt waaraan ze zijn vastgezet. De rotatie kan slechts in één richting plaatsvinden. Hieruit valt te concluderen dat de roterende motor slechts in één richting kan draaien en niet kan omschakelen.wel kan de cel de andere kant op roteren als hij op een andere plek vast wordt gezet. Het zou kunnen zijn dat de bacterie een voor- en een achterkant heeft. De richting van voorbewegen hangt dan dus af van welke kant er in actie is. Verschillende experimenten wijzen er op dat het mechanisme in de celwand zelf moet zitten [Bray, 2001]. Hoe het mechanisme er precies uitziet is nog niet bekend. Een theorie is dat de Synechococcus wordt voortgestuwd door een stroom van ionen die vloeit van het hoofd tot aan de staart van de cel [Mitchell, 1956] (zie figuur 4.9). Als de celwand een vaste lading heeft zal deze afgeschermd zijn door ionen die de tegenovergestelde lading hebben. Als er ionen uit het hoofd van de cel worden gepompt en in de staart worden binnengehaald, dan zal er een elektrisch veld ontstaan in de vloeistof rondom de cel. Dit veld zal de laag vloeistof die de ionen bevat met de tegenovergestelde lading ten opzichte van de celwand, voortdrijven in achterwaartse richting langs de celwand. Hierdoor zal de cel vooruit bewegen, waarbij de laag vloeistof om de cel zich gedraagt als de rupsband van een tank. Deze theorie is echter verworpen doordat het zeewater waarin deze bacterie zich bevindt zeer goed in staat is om ladingsverschillen effectief te neutraliseren. Hierdoor zal er geen elektrisch veld rondom de cel kunnen ontstaan [Pitta, 1995]. Hoe de cel zich voort kan bewegen zonder flagella blijft een raadsel. Figuur 4.9: Schematische weergave van Synechococcus die zich voort beweegt met behulp van een stroom van elektronen. Een vaste negatieve lading (-) van de celwand is afgeschermd door een laag positieve ionen (+) in de vloeistof rondom de cel. Andere ionen (met lading J) worden aan de voorkant uit de cel gepompt en vervolgens weer binnengehaald aan de achterzijde. Hierdoor ontstaat er een elektrisch veld in de vloeistof rondom de cel (E) die de protonen in de vloeistof van rechts naar links stuwt waardoor de cel van links naar rechts door de vloeistof beweegt. Deze theorie blijkt echter niet op te gaan doordat zeewater het elektrisch veld neutraliseert [Pitta, 1995]. 20