EXPO 40 jaar BCCM: De overlevers

Deinococcus radiodurans (LMG 4051T)

Deinococcus radiodurans is een extremofiele bacterie die bekend staat om zijn buitengewone weerstand tegen straling en andere omgevingsstressoren. Het werd voor het eerst ontdekt in 1956 door Arthur W. Anderson en collega's en heeft onderstaande megakrachten:

in staat om extreem hoge stralingsniveaus te weerstaan, tot 5.000 Gy (grijs) ioniserende straling, wat duizenden malen meer is dan wat dodelijk is voor de meeste andere organismen. Dit komt door het vermogen om DNA-schade door straling efficiënter te herstellen dan andere bacteriën.
kan extreme uitdroging (uitdroging) gedurende lange tijd overleven, dankzij het vermogen om DNA-schade te herstellen en de membraanintegriteit te behouden, zelfs in afwezigheid van water.
heeft meerdere kopieën van zijn genoom (maximaal vier), wat een efficiënter DNA-herstel mogelijk maakt in het licht van straling en andere stressfactoren.

Over het algemeen heeft de opmerkelijke superkrachten van Deinococcus radiodurans tegen extreme omgevingsomstandigheden het tot een belangrijk modelorganisme gemaakt voor het bestuderen van DNA-reparatiemechanismen en voor mogelijke toepassingen in bioremediatie en andere gebieden van de biotechnologie.

Thermus aquaticus (LMG 8924T)

Thermus aquaticus wordt gevonden in warmwaterbronnen en geisers. Dit organisme is vooral bekend om zijn vermogen om het hittestabiele enzym Taq polymerase te produceren, dat veel wordt gebruikt in de PCR-techniek (polymerase chain reaction) om DNA te amplificeren.

In de zomer van 1969 onderzocht een groep onderzoekers van de Universiteit van Indiana de hete bronnen van Yellowstone National Park, op zoek naar micro-organismen die in extreme omgevingen konden overleven. Een van deze onderzoekers - microbioloog Thomas D. Brock - was geïnteresseerd in het bestuderen van de thermofiele bacteriën die in de hete bronnen leefden. Op een dag, toen hij monsters aan het verzamelen was van een hete bron in de buurt van de Old Faithful geiser, merkte Brock iets ongewoons op. Het water in de bron was kokend heet, maar er groeide een slijmerige laag op de rotsen en boomstammen aan de rand van de bron. Geïntrigeerd nam Brock een monster van dit slijm mee naar het lab, waar hij een nieuwe bacteriesoort isoleerde die hij Thermus aquaticus noemde. Hij realiseerde zich al snel dat deze bacterie anders was dan alles wat hij eerder had gezien: hij kon groeien bij temperaturen tot 75°C!

Pas in de jaren 1980 werd de echte waarde van Thermus aquaticus duidelijk. In 1983 probeerde een groep onderzoekers bij Cetus Corporation, een biotechnologiebedrijf in Californië, een nieuwe methode te ontwikkelen om DNA te vermenigvuldigen. Terwijl Kary Mullis, een chemicus die bij Cetus werkte, van een bar naar huis reed, bedacht hij een hypothetische techniek die hij de Polymerase Chain Reaction (PCR) noemde, waarbij DNA achtereenvolgens wordt verhit en afgekoeld om het in grote hoeveelheden te vermenigvuldigen. In deze reactie wordt het DNA eerst verhit tot ongeveer 95°C zodat de twee strengen waaruit het DNA bestaat uit elkaar gaan. In de volgende stap kopieert een 'polymerase'-enzym het enkelstrengs DNA. Door deze stappen te herhalen ontstaat een kettingreactie die genoeg DNA produceert om te bestuderen. Aanvankelijk hadden ze echter moeite om een enzym te vinden dat bestand was tegen de hoge temperaturen en temperatuurschommelingen die voor dit proces nodig zijn. Toen herinnerde Mullis zich dat hij had gelezen over Thermus aquaticus en zijn hittebestendige enzymen. Hij stelde voor om het DNA-polymerase van T. aquaticus te isoleren en het te gebruiken voor het PCR-proces en ontdekte dat het perfect werkte.

PCR maakt het veel eenvoudiger om DNA te bestuderen, zodat veel genetische ziekten nauwkeurig en vroegtijdig kunnen worden geïdentificeerd.
De ontdekking van T. aquaticus polymerase (vaak afgekort als 'Taq polymerase') en de PCR-techniek betekende een revolutie in de moleculaire biologie. PCR maakt het veel gemakkelijker om DNA te bestuderen zodat veel genetische ziekten nauwkeurig en vroegtijdig kunnen worden geïdentificeerd, mensen kunnen worden geïdentificeerd in de forensische wetenschap, genetisch gemodificeerde organismen kunnen worden ontwikkeld en nog veel meer. Voor de ontdekking van PCR ontving Mullis in 1993 de Nobelprijs voor Scheikunde.

Vibrio natriegens (LMG 10935T)

Vibrio natriegens is een opmerkelijke bacteriesoort die gedijt in één van de meest extreme plaatsen op aarde, zoals zoutvlakten en zoute meren. Deze habitats vormen een grote uitdaging voor de meeste levensvormen, maar V. natriegens heeft zich speciaal aangepast en verschaft hierdoor aan wetenschappelijk onderzoekers inzicht in de grenzen van het aanpassingsvermogen van het leven.

Bovendien heeft Vibrio natriegens de hoogste groeisnelheid van alle bekende levensvormen, met een gerapporteerde verdubbelingstijd van minder dan 10 minuten; een ware wereldrecordhouder! Dit kenmerk is van groot belang voor biotechnologische en industriële toepassingen, vanwege het potentieel om verscheidene productieprocessen te versnellen.

Vibrio natriegens as a fast-growing host for molecular biology. Weinstock et al., Nature Methods (2016)

Cupriavidus metallidurans CH34 (LMG 1195T)

Het gebruik en nut van bacteriën op aarde is enorm en onbetwistbaar. Ook op andere planetaire oppervlakken zoals Mars kunnen deze micro-organismen helpen. Ze zouden gebruikt kunnen worden om nuttige mineralen uit buitenaards gesteente te extraheren, waardoor het te transporteren materiaalvolume beperkt wordt.

Cupriavidus metallidurans CH34 (LMG 1195T) kan een groot aantal zware metalen verdragen en zelfs metaboliseren en wordt daarom bestudeerd op zijn gedrag onder veranderde zwaartekracht in het internationale ruimtestation (ISS). BCCM/LMG ontwikkelde een vriesdroogmethode op basaltplaatjes om de bacterie in een slapende toestand te houden vanaf de lancering van de raket tot de aankomst in het ISS.

De eerste batch van 15 basaltglaasjes werd met succes gelanceerd op 26 juli 2019 om 12:01 AM CEST vanaf NASA Kennedy Space Center, met een SpaceX Falcon 9 draagraket. Alle gevriesdroogde C. metallidurans-culturen op basaltglaasjes vertoonden levensvatbaarheid bij rehydratie, 408 km boven de aarde.

BioRock: New Experiments and Hardware to Investigate Microbe–Mineral Interactions in Space. Loudon et al., International Journal of Astrobiology (2018).

Antarctische stammen en koude-resistente mechanismen

Cyanobacteriën staan bekend om hun vermogen om te gedijen in verschillende milieuomstandigheden. Sommige stammen van cyanobacteriën zijn gevonden op Antarctica, waar ze zich hebben aangepast aan extreme kou en barre omstandigheden. Deze aan koude aangepaste cyanobacteriën zijn van bijzonder belang vanwege hun unieke aanpassingen en de mogelijke toepassingen van hun enzymen in verschillende biotechnologische processen. Om in koude omgevingen te overleven, hebben cyanobacteriën aanpassingen zoals de productie van antivrieseiwitten die ijsvorming in hun cellen helpen voorkomen, en het vermogen om hun fotosynthese aan te passen om efficiënt te functioneren bij lage temperaturen. Deze micro-organismen produceren ook enzymen die aangepast zijn om bij lage temperaturen te functioneren. Deze enzymen worden vaak psychrofiele of aan koude aangepaste enzymen genoemd en ze zijn geëvolueerd om actief en efficiënt te blijven in koude omstandigheden. Deze strategie heeft potentiële toepassingen in verschillende industrieën, waaronder biotechnologie en farmaceutica. De zogenaamde "koudebestendige enzymen" kunnen worden gebruikt in processen die activiteit bij lage temperaturen vereisen, zoals de productie van koudeactieve detergenten, de voedingsindustrie (bijv. voor zuivel- en brouwtoepassingen) en moleculaire biologie.

Chaetoceros elegans (DCG 0529)

Het verleden kan ons veel leren over het heden, maar ook over de mogelijke toekomst van onze planeet. Fossielen kunnen ons veel leren over evolutie, maar het opnieuw tot leven brengen van fossielen klinkt als een idee dat uit pure fictie komt. In werkelijkheid ligt dit veel dichter bij de werkelijkheid dan de meeste mensen zich realiseren.
Sommige diatomeeën kunnen rustsporen vormen, die gevonden kunnen worden in sedimentlagen die duizenden jaren oud zijn. Rustsporen worden gevormd tijdens zware, stressvolle omgevingsomstandigheden als een manier om te overleven totdat de omstandigheden gunstiger zijn.
 
De rustsporen van deze soorten kunnen ons dus veel vertellen over het milieu uit het verleden. Niet alleen dat, maar in tegenstelling tot dinosaurusbotten kunnen deze rustsporen weer tot leven worden gewekt en in cultuur worden gebracht als levende cellen. Door het DNA van deze levende fossielen te analyseren, kunnen we veel leren over micro-evolutie. Zo zijn er bijvoorbeeld rustsporen van diatomeeën van het geslacht Chaetoceros gevonden in sedimenten die wel 6600 jaar oud zijn en die met succes in kweek zijn gebracht (Sanyal et al., 2022).
Wist je dat? Deze sporen bestaan al sinds de Egyptische piramides!

Armillaria

Armillaria, hier vertegenwoordigd door Armillaria heimii, behoren tot de gelamelleerde paddenstoelen (Agaricales). Ze hebben de bijzonderheid dat ze structuren vormen die rhizomorf worden genoemd, kleine koorden die zich in de grond uitstrekken op zoek naar een gastheerboom en die bijvoorbeeld water transporteren. Schimmels van het geslacht Armillaria spelen een belangrijke ecologische rol in de natuurlijke omgeving; het zijn belangrijke ziekteverwekkers voor bomen in onze bossen, die bijdragen aan de recycling van hout en dus aan de koolstofcyclus.

Een Canadees Armillaria-exemplaar van de soort  A. solidipes (syn. A. ostoyae) behoort met een grootte van ongeveer negen km2 tot de grootste levende organismen op aarde. De leeftijd wordt geschat op 2400 jaar en het gewicht op 600 ton.

De epische celwand van mycobacteriën houdt het ongewenste tegen

Mycobacteriën bezitten een unieke celwand, de verdediger genaamd, die rijk is aan lipiden en functioneert als een formidabele barrière tegen permeabiliteit. Dit fort van vetten, bestaande uit lipiden zoals mycolzuren, beschermt mycobacteriën tegen omgevingsstress en immuunreacties van de gastheer. Door de hydrofobe aard zijn mycobacteriën bestand tegen traditionele kleurmethodes, zoals Gramkleuring, en worden ze geclassificeerd als zuurvaste organismen, waarbij de lipidensamenstelling ervoor zorgt dat mycobacteriën de primaire kleuring behouden, zelfs na blootstelling aan zuur-alcohol ontkleuring. Deze kenmerkende zuurvaste kleuring is cruciaal voor hun identificatie door microscopie. De barrière fungeert niet alleen als een beschermend schild, maar beïnvloedt ook interacties tussen mycobacteriën en hun gastheren, wat invloed heeft op pathogenese en virulentie. Inzicht in de mycobacteriële celwand is essentieel voor het ontwikkelen van diagnostische middelen en behandelingen voor mycobacteriële infecties.

The Acid-Fast Cell Wall. Gary Kaiser, Biology LibreTexts