Bacteriële communicatie is altijd een grijs gebied geweest in de wetenschappelijke gemeenschap. Een nieuw optisch instrument helpt wetenschappers de elektrische signalen van bacteriën beter dan ooit te begrijpen. Dat opent de weg om antimicrobiële resistentie en infecties beter aan te pakken. Bij het onderzoek waren onderzoekers van het Politechnische School van Milaan en de Universiteit van Warwick betrokken.
Giuseppe Paternò, assistent-professor aan het departement fysica van de Politecnico di Milano, legt uit wat de betekenis is van deze nieuwe aanpak. “Het doel van de studie was te proberen de bio-elektrische activiteit in bacteriën te manipuleren. Ruim tien jaar geleden ontdekten wetenschappers dat bio-elektrische communicatie relevant is voor de regulering van sommige biologische processen, zoals de instroom en uitstroom van farmaceutische geneesmiddelen.”
Communicatiewegen
Bacteriën communiceren via bio-elektrische signalen, bijvoorbeeld om onderling voedingsstoffen te regelen en te delen. Neuronen in onze hersenen handelen op analoge wijze, wat al heel lang bekend is. Voor bacteriën is dit vrij recent aangetoond. Daarom moeten sommige communicatiewegen tussen bacteriën nog worden gekarakteriseerd en geclassificeerd. Deze wegen, ionenkanalen genoemd, zijn het equivalent van de “mond” van een cel en zijn de belangrijkste geleider van interactie tussen cellen.
Het instrument
Het optische instrument dat Paternò beschrijft als een ‘antenne’ die in het membraan van een zeer kleine bacteriecel is ingeklemd, maakt de cel reactief voor licht. Daardoor kan deze met andere cellen interageren. Zo kunnen onderzoekers hun communicatiepatronen bestuderen en hun ‘taal’ karakteriseren. In technische termen heet dit ‘fototransductie’. De antenne wordt gestimuleerd door een lichtstraal en verandert op afstand en op niet-invasieve wijze de elektrische eigenschappen van de hele cel. Om zijn oorspronkelijke elektrische toestand en ruimtelijke conformatie terug te krijgen, zendt de cel bio-elektrische signalen uit die wetenschappers vervolgens kunnen analyseren.
Weerstand tegen prikkels
De praktische toepassing van deze analysemethode kan nieuw licht werpen op antimicrobiële resistentie, de doeltreffendheid van farmaceutische geneesmiddelen optimaliseren en betere resultaten opleveren bij de synthese en dosering ervan. Maar hoe?
Welnu, sommige cellen zijn minder geneigd om te communiceren, zelfs wanneer zij worden gestimuleerd door het optische instrument dat door het team van Politecnico is bedacht. “In sommige gevallen kan weerstand tegen externe prikkels, en dus tegen antimicrobiële farmaceutische geneesmiddelen, worden gediagnosticeerd door een weerstand tegen communicatie”, aldus Paternò. “Deze cellen bevinden zich in een zogenaamde slapende toestand, maar ze zijn niet dood. Bovendien hebben ze de neiging deze toestand door te geven aan naburige cellen.”
Goede bacteriën de weg wijzen
Daarom zijn in een gemeenschap van cellen sommige delen niet alleen elektrisch, maar ook receptief ongevoelig, wat betekent dat zij geneesmiddelen zoals antibiotica niet zo goed assimileren als hun actieve tegenhangers. Uiteindelijk kan resistentie tegen antibiotica zich verspreiden via kleine groepen slapende cellen.
Het verband tussen het vermogen van een cel om te communiceren en zijn ontvankelijkheid is niet per se direct, maar Paternò zegt dat eerdere studies hebben aangetoond dat, in het algemeen, “cellen die bio-elektrisch slapend zijn, ook farmacologisch slapend zijn.”
Een andere functionele toepassing van deze technologie betreft de mogelijke inzet van “goede” (niet-pathogene) bacteriën voor gericht transport van nuttige stoffen door organismen. “Bacteriën verplaatsen zich, Paternò uit. “In principe zouden we ze kunnen manipuleren om ze te brengen waar we ze nodig hebben, door ze te stimuleren via de fototransducer en ze op afstand te sturen, door hun richting en snelheid te veranderen”.
Dit moet echter nog wetenschappelijk worden aangetoond en zal volgens Paternò onderwerp zijn van toekomstige studies.
