Wetenschappers TU Delft onthullen moleculaire structuur van bacteriële gasblaasjes

Net als ballasttanks in onderzeeërs of de zwemblazen van vissen, gebruiken veel waterbacteriën gasblaasjes om hun drijfvermogen te regelen. In een publicatie in Cell hebben wetenschappers van de afdelingen Bionanoscience en Imaging Physics nu voor het eerst de moleculaire structuur van deze blaasjes omschreven. De gasblaasjes zijn onlangs al ingezet als contrastmiddel bij echo's. 

Gasblaasjes zijn holle, cilindrische nanostructuren die bestaan uit een dunne schil van eiwitten en gevuld zijn met gas. Net als ballasttanks in onderzeeërs of de zwemblazen van vissen, gebruiken veel waterbacteriën deze blaasjes om hun drijfgedrag te regelen. "Bepaalde cyanobacteriën gebruiken bijvoorbeeld gasblaasjes om naar de oppervlakte te drijven en zo licht te verzamelen voor fotosynthese. Bij schadelijke algengroei kan dit fenomeen zelfs op enorme schaal voorkomen", zegt Assistant Professor Arjen Jakobi van de afdeling Bionanoscience.

Blijven drijven
De blaasjes moeten aan zeer specifieke voorwaarden voldoen: willen bacteriën blijven drijven, dan moeten de blaasjes een aanzienlijk deel van de cel innemen en daarbij vakken vormen van enkele honderden nanometer. Voor maximaal drijfvermogen is het ook van belang dat de schil uit zo weinig mogelijk materiaal bestaat. Tegelijkertijd moet de schil de druk van het omringende water kunnen weerstaan, zodat de blaasjes blijven zweven op verschillende dieptes. Gasblaasjes hebben zich daarom ontwikkeld als stijve, dunwandige structuren die bestaan uit vele duizenden kopieën van één enkel eiwit om de schil te vormen. 

“Ondanks grote inspanningen bleef de moleculaire structuur van de blaasjes voor lange tijd ongrijpbaar, en daarmee ook hun onderscheidende eigenschappen op moleculair niveau", zegt Stefan Huber, promovendus in Jakobi's lab. "Maar dankzij zeer geavanceerde hardware voor elektronenmicroscopie en algoritmen voor beeldverwerking – zéér recente ontwikkelingen – hebben we deze structuren bijna tot op het atoom nauwkeurig in kaart weten te brengen. Met cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM) kunnen we nu de structuur van de schil bekijken en precies achterhalen hoe gasblaasjes groeien en welke evolutionaire aanpassingen ervoor gezorgd hebben dat bacteriën kunnen drijven."

Een blik bonen
De gasblaasjes bevatten GvpA, een bijzonder eiwit met een gegolfde wand die vergelijkbaar is met het geribbelde metaal waarin bonen in blik worden verpakt. Zo’n wand is typisch voor dunwandige cilinders die krachten van buitenaf moeten weerstaan. Dankzij kleine poriën kunnen gasmoleculen door de schil van de gasblaasjes heen bewegen, terwijl de chemische eigenschappen van het binnenoppervlak water effectief afstoten. Zo kunnen de gasblaasjes zich selectief met gas vullen. Door te kijken naar een groot aantal verschillende bacteriesoorten, kwamen de onderzoekers erachter dat de constructie van gasblaasjes door de evolutie heen in de basis onveranderd is gebleven. 

De structuur biedt een fascinerende kijk op de eigenaardige kenmerken van moleculen die bacteriën hebben ontwikkeld om in een waterige omgeving te kunnen drijven. Daarbij werpt het ook licht op de ingenieuze ontwerpprincipes – op nanoschaal – die nodig zijn om dunne holle structuren onder druk stabiel te houden. 

Echografie
Het onderzoek maakt het ook mogelijk om gasblaasjes te ontwerpen voor echografie, via molecular engineering. „Voor dit onderzoek hebben we samengewerkt met het lab van David Maresca van de afdeling Imaging Physics, die ons benaderde om de gasblaasjes die hij in zijn lab heeft geproduceerd in beeld te brengen ", zegt Jakobi. In het lab van Maresca wil promovendus Dion Terwiel gasblaasjes gebruiken als contrastmiddel voor echografie, door hun genetische code slim aan te passen. Het hoge contrast in dichtheid tussen gasblaasjes en de omringende celstructuren zorgt ervoor dat ze fel oplichten op echo's en mogelijk nog beter werken dan huidige contrastmiddelen. „Met de opgedane inzichten kan ik deze akoestische biomoleculen nauwkeuriger recreëren", zegt Terwiel. "Sinds 2014 staan gasblaasjes opnieuw in de belangstelling omdat ze als ‘groen fluorescerend eiwit’ voor echografie kunnen dienen. Als we de structuur van de gasblaasjes kennen, helpt ons dat om akoestische biosensoren te ontwerpen waarmee we biologische processen kunnen bekijken die zich diep het weefsel afspelen", voegt Maresca toe.