Japanse onderzoekers ontrafelen bouwplan van bacteriële eiwitveren die uitschieten in zuur

Sommige bacteriën dragen een eigenaardig stukje gereedschap bij zich: een eiwitstructuur die researchers een 'refractile body' noemen, kortweg R-body. In neutrale omstandigheden zit dat ding strak opgerold, als een piepklein rolletje lint. Maar zodra de zuurgraad van de omgeving daalt, ontrolt het zich razendsnel tot een lange spiraal, ongeveer vijftig keer langer dan de opgerolde vorm. Dat gebeurt binnen één seconde en met zoveel kracht dat het een celwand kan doorboren.

R-bodies komen voor in bacteriën die in het eencellige organisme Paramecium leven, als een soort huurder in een cel van een ander organisme. Hoewel deze structuren al meer dan zeventig jaar bekend zijn, wisten onderzoekers tot nu toe niet goed hoe ze precies worden opgebouwd. Een team onder leiding van promovendus Koki Date, universitair docent Kosuke Kikuchi en hoogleraar Takafumi Ueno, verbonden aan het Institute of Science Tokyo, zocht dat nu uit. Hun resultaten verschenen op 18 september in het wetenschappelijke tijdschrift Biomacromolecules.

Vier eiwitten, één precieze volgorde

Het onderzochte type R-body wordt gebouwd uit vier eiwitten: RebA, RebB, RebC en RebD. De bijbehorende genen liggen achter elkaar op het DNA, in wat biologen een operon noemen. Lange tijd gingen wetenschappers ervan uit dat vooral RebA en RebB de belangrijkste bouwstenen waren. De rol van de andere twee eiwitten bleef onduidelijk.

Om dat te ontrafelen, schakelden de onderzoekers de vier genen stuk voor stuk uit, los en in combinaties, in de bacterie Escherichia coli. Vervolgens bekeken ze met geavanceerde microscopie, fluorescentiemetingen, spectroscopie en röntgendiffractie hoe de resulterende structuren eruitzagen, vergeleken met een normale, volledig functionerende R-body.

Een tussenpersoon die zelf verdwijnt

Daaruit bleek dat RebA en RebB alleen niet genoeg zijn om een werkende, uitrekbare R-body te vormen. RebD blijkt een klein maar onmisbaar bouwblokje: het stuurt de vroege vorming van een geordende structuur die rijk is aan de alfa-helix, een van de bekendste vormen van eiwitvouwing. RebC is nog opvallender: dat eiwit zit niet eens in de uiteindelijke, afgeronde R-body. Toch loopt de boel in de soep zodra RebC ontbreekt. In plaats van een net opgerolde structuur klonteren de andere eiwitten dan samen tot een ongeordende bende. Ontbreken RebA of RebB, dan ontstaan wanordelijke klonten met een heel andere eiwitconformatie, rijk aan bèta-sheets in plaats van de gewenste geordende opbouw.

De conclusie van het team is dat het niet alleen gaat om welke eiwitten er uiteindelijk in de structuur zitten, maar vooral om de volgorde waarin ze worden samengevoegd. Die kennis is bruikbaar voor onderzoekers die met eiwitontwerp werken aan kunstmatige materialen die op subtiele veranderingen in hun omgeving reageren, zoals zuurgraad, en daarbij zelf mechanische beweging kunnen opwekken.