Osmotic regulation of transport processes in Lactobacillus plantarum Glaasker, Erwin

Transcriptie

1 University of Groningen Osmotic regulation of transport processes in Lactobacillus plantarum Glaasker, Erwin IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 1998 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Glaasker, E. (1998). Osmotic regulation of transport processes in Lactobacillus plantarum. s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Samenvatting SAMENVATTING 1. Achtergrondinformatie voor niet-biologen Bacteriën zijn eencellige organismen die vanwege hun relatief eenvoudige opbouw gemakkelijk zijn te bestuderen. Een bacteriële cel bestaat uit een enkel compartiment dat is afgescheiden van de omgeving door middel van een membraan met daaromheen een celwand. In de cel bevinden zich alle bouwstenen die de cel nodig heeft om in leven te blijven, zoals enzymen en nucleïnezuren (DNA en RNA), maar ook voedingsstoffen die de cel gebruikt om nieuwe bouwstenen te maken. De meeste stoffen kunnen de membraan niet zonder meer passeren, maar water kan vrij over de membraan bewegen. Voor het opnemen van (voedings)stoffen uit de omgeving en voor het uitscheiden van afvalstoffen beschikt de cel over speciale eiwitten in de membraan die er voor zorgen dat bepaalde stoffen deze barrière toch kunnen passeren. Deze eiwitten worden ook wel transporteiwitten genoemd. De membraan is een elastisch en dus soepel omhulsel. Om de cel van enige stevigheid te voorzien zit er om de membraan een stevige celwand. De meeste stoffen kunnen zonder veel problemen de celwand passeren. Normaal gesproken is de concentratie van stoffen in de cel veel hoger dan die in de omgeving. Met andere woorden, de osmolariteit in de cel is hoger dan die van de omgeving. Een hogere osmolariteit betekent dat er relatief minder water aanwezig is, waardoor water van buiten naar binnen wordt gezogen. Hierdoor zal de cel opzwellen en zal de elastische membraan tegen de stevige celwand aandrukken. Deze druk noemen we de turgordruk van de cel. De turgordruk is essentieel voor het delen van een cel en dus voor de groei van bacteriën. Uiteindelijk zal er een evenwicht ontstaan tussen de turgordruk (die het binnenkomen van meer water tegenwerkt) en het verschil in de hoeveelheid water binnen en buiten de cel. Wanneer de hoeveelheid opgeloste stoffen in de cel constant blijft, dan zullen veranderingen in de osmolariteit van de omgeving de turgordruk beïnvloeden. Meer opgeloste stoffen in de omgeving betekent relatief minder water in de omgeving en dit resulteert in hyper-osmotische stress. Hierdoor zal water vanuit de cel naar de omgeving gaan. Dit is echter schadelijk voor de cel, want dit resulteert in een verlaging van de turgordruk, een verkleining van het volume van de cel en uitdroging. De cellen proberen het waterverlies tegen te gaan door grote hoeveelheden van bepaalde stoffen ( compatible solutes ) op te nemen, waardoor het verschil in de hoeveelheid opgeloste stoffen tussen de binnen- en de buitenkant kleiner wordt. Voor deze opname zijn specifieke transporteiwitten 135

3 in de membraan van de cel verantwoordelijk. Aan de andere kant zal een verlaging van de hoeveelheid opgeloste stoffen in de omgeving (hypoosmotische stress) een instroom van water in de cel veroorzaken, waardoor de turgordruk toeneemt en het gevaar bestaat dat de cel knapt. De cellen reageren op hypo-osmotische stress door razendsnel allerlei opgeloste stoffen (voornamelijk compatible solutes ) uit te scheiden via transporteiwitten in de membraan. Het is van belang om te weten hoe bacteriën de beide vormen van osmotische stress kunnen voelen en hoe vervolgens het stress-signaal wordt omgezet in een veranderde activiteit van de transporteiwitten. 2. De inhoud van dit proefschrift in een notendop In dit proefschrift staat beschreven hoe de melkzuurbacterie Lactobacillus plantarum reageert op hyper- en hypo-osmotische stress. Dit onderzoek is van biotechnologisch belang, omdat hoge osmolariteit (veel opgeloste stoffen, zoals zouten of suikers) vaak wordt toegepast om voedingsmiddelen te conserveren. Van de melkzuurbacterie Lactobacillus plantarum is bekend dat deze regelmatig verantwoordelijk is voor het bederven van voedingsmiddelen. Unilever Research Laboratoria was bereid om een onderzoek te financieren naar de mechanismen waarmee deze bacterie zich aanpast aan osmotische stress. De eerste reactie van Lactobacillus plantarum op wisselende concentraties opgeloste stoffen in de omgeving betreft een toename van de activiteit van de verschillende transporteiwitten in de membraan. Dit promotieonderzoek heeft zich voornamelijk gericht op de regulatie van deze transporteiwitten. De belangrijkste verbinding ( compatible solute ) die door Lactobacillus plantarum onder hyper-osmotische stress-condities (veel opgeloste stoffen in de omgeving) wordt opgenomen heet glycine-betaïne. Deze verbinding zorgt ervoor dat de groei van de cellen onder hyper-osmotische condities wordt gestimuleerd en is van groot belang voor het overleven van osmotische stress. Vandaar dat de regulatie van de opname en uitscheiding van glycine-betaïne als reactie op osmotische stress is onderzocht. De regulatie van de glycine-betaïne opname door hyper-osmotische stress vindt vooral plaats door veranderingen in het transporteiwit zelf (het eiwit wordt geactiveerd) en niet door het aanmaken van meer transporteiwitten. Het blijkt dat het glycine-betaïne opname-eiwit langer in de geactiveerde toestand blijft naarmate de toename in osmolariteit groter is. Wanneer de osmolariteit van de omgeving wordt verhoogd door toevoegen van suikers in plaats van zouten, wordt het verschil in hoeveelheid opgeloste stoffen aan de binnen- en buitenkant van de cellen tegengegaan door de opname van de toegevoegde suiker zelf. Hier zijn ook bepaalde transporteiwitten voor verantwoordelijk. Deze eiwitten werken alleen bij zeer hoge suikerconcentraties 136

4 Samenvatting en zorgen ervoor dat suiker-stress veel minder nadelige gevolgen voor de cel heeft dan zout-stress. De strikte regulatie van de transporteiwitten voor de opname en uitscheiding van glycine-betaïne door veranderingen in de osmolariteit is gericht op het zo snel mogelijk herstellen van het verstoorde evenwicht tussen de interne en externe concentraties van opgeloste stoffen. De volgende waarnemingen met betrekking tot de regulatie van de opname en uitscheiding van glycine-betaïne zijn gedaan: (i) ook als de osmolariteit van de omgeving niet wordt veranderd, is er altijd een kleine stroom van glycine-betaïne over de membraan, maar er is geen echte (netto) opname of uitscheiding van glycine-betaïne (opname en uitscheiding zijn in evenwicht); (ii) binnen enkele seconden na het aanleggen van hyper-osmotische stress wordt de opname van glycine-betaïne gestimuleerd en de uitscheiding geremd; (iii) binnen één seconde na het aanleggen van hypoosmotische stress wordt de opname van glycine-betaïne geremd en wordt glycine-betaïne razendsnel uitgescheiden. Deze snelle uitscheiding van glycinebetaïne is niet afhankelijk van enige vorm van bruikbare energie in de cel en wordt geremd door verbindingen die het openen en sluiten van kanaaleiwitten in de membraan beïnvloeden. Een kanaaleiwit is het best voor te stellen als een goed gereguleerde porie in de membraan. Na de eerste, snelle uitscheiding door het kanaaleiwit volgt een tweede, langzamer proces dat wel afhankelijk is van de energietoestand van de cel. Dit proces is waarschijnlijk het gevolg van de aanwezigheid van een eiwit waaraan glycine-betaïne bindt en dat daarna deze stof over de membraan transporteert. Alle transporteiwitten die betrokken zijn bij de opname en uitscheiding van glycine-betaïne, kunnen dus veranderingen in osmolariteit voelen en dit signaal razendsnel omzetten in een veranderde activiteit van het eiwit. De uitscheiding van glycine-betaïne wordt niet alleen veroorzaakt door het aanleggen van een hypo-osmotische stress, maar kan ook worden bewerkstelligd door het toevoegen van bepaalde drugs. De drugs veranderen de spanning in de membraan, net zoals hypo-osmotische stress dat doet. Het kanaaleiwit reageert waarschijnlijk op veranderingen in de membraanspanning. De drugs beïnvloeden de opname van glycine-betaïne niet. Het mechanisme dat de opname reguleert, is dus duidelijk verschillend van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de uitscheiding. Het kanaaleiwit voelt membraanspanning, terwijl het opname-eiwit reageert op de druk die op de membraan staat, bijvoorbeeld door een veranderende koppeling met de celwand. Bovendien wordt het opname-eiwit geremd door de hoeveelheid glycine-betaïne die in de cel aanwezig is, waardoor een ongelimiteerde opname van deze stof wordt voorkomen. Hyper-osmotische stress vermindert de mate van deze 137

5 remming, waardoor er in stress-situaties extra glycine-betaïne kan worden opgenomen. Er zijn mutanten van de melkzuurbacterie Lactobacillus plantarum geïsoleerd die nauwelijks meer in staat zijn om glycine-betaïne op te nemen. Deze mutanten zijn nog wel in staat om de opname van glycine-betaïne te verhogen als er een hyper-osmotische stress wordt aangelegd. Door bestudering van de mutanten is vastgesteld dat voor opname en uitscheiding van glycine-betaïne verschillende transporteiwitten verantwoordelijk zijn. Bovendien is vastgesteld dat het glycine-betaïne opname-eiwit ook vele andere compatible solutes kan transporteren. 3. En nu even praktisch. Het geven van een hyper-osmotische stress wordt vooral toegepast bij het conserveren van voedingsmiddelen. Het toevoegen van veel zout of suiker of het drogen van de producten beschermt deze tegen aantasting door bacteriën. De bacteriën die verantwoordelijk zijn voor het bederf, kunnen zich snel aanpassen aan de verhoogde osmolariteit in de aanwezigheid van twee stoffen: glycinebetaïne en carnitine. Glycine-betaïne komt veel voor in voedingsmiddelen van plantaardige oorsprong, terwijl carnitine juist voorkomt in vleesproducten. Voor het ontwikkelen van een optimale strategie om bederf zo lang mogelijk uit te stellen, is het van belang om te weten hoe bacteriën deze stoffen opnemen uit de voedingsmiddelen (het onderwerp van dit proefschrift). Door het combineren van twee of meer verschillende stress-situaties, bijvoorbeeld verhitting, het toevoegen van conserveringsmiddelen en/of veel zout of suiker, kan de groei van bederf-organismen en ziekteverwekkers beter worden tegengegaan. Helaas kan het toepassen van de ene stress er niet alleen toe leiden dat de bacteriën zich aanpassen aan deze stress-situatie, maar ook dat ze beter bestand worden tegen andere vormen van stress. Dit aspect zal in de toekomst verder onderzocht moeten worden. Op dit moment is er een grote belangstelling voor veilige en gezonde voedingsmiddelen met een verbeterde smaak. Daarom wordt naar alternatieven gezocht voor relatief harde conserveringsmethoden, zoals hitte-sterilisatie. Naast het toevoegen van zouten of suikers (osmotische stress) kan conservering door een hogedrukbehandeling een goed alternatief zijn. De opname van stoffen zoals glycine-betaïne en carnitine is vermoedelijk ook van belang voor de aanpassing van bacteriën aan hoge druk. Informatie over de wijze waarop de opname van deze stoffen wordt geremd door het toepassen van hoge druk kan dan ook worden gebruikt om meer inzicht te krijgen in de mogelijkheden van deze techniek. 138