In een hoekje van het Gorlaeus, op ongeveer een kwartier lopen van de hoofdingang, zit een stuk dat eigenlijk niet van de Universiteit Leiden is, maar van heel Nederland. Het Netherlands Centre for Electron Nanoscopy (NeCEN) is een landelijke voorziening, en datgene waarin ze voorzien, zijn elektronenmicroscopen - maar dan wel heel erg stoere: de zogeheten Fei Titan Krios 300 kV transmissie-elektronenmicroscopen. Met alle toeters en bellen eraan zijn ze groter dan menig studentenkamer, en het zijn de enige twee exemplaren in het land.
Wie ermee wil werken, betaalt zo’n tweeduizend euro per dag. Maar dan kun je wel dingen zichtbaar maken die nog niemand anders heeft gezien. Het team van Ariane Briegel, hoogleraar ultrastructurele biologie, is daar goed in. Volgende week donderdag houdt de Duitse professor een lezing over haar werk voor het Natuurwetenschappelijk Genootschap.
Een van de dingen die Briegel onderzoekt, is de zogeheten chemotaxis. ‘Taxis’ betekent beweging, meestal beweging van levende wezens, en ‘chemo’ betekent dat de organismen afkomen op, of juist weggaan van, een bepaalde chemische stof. Briegel illustreert het met een filmpje van darmbacteriën die afkomen op suiker.
Zweepstaartjes
De bacterie Escherichia coli, het populaire werkpaardje van de microbiologie, heeft acht tot tien flagellen.
Deze ‘zweepstaartjes’ lijken op die van spermacellen maar zitten heel anders in elkaar; bij bacteriën zit er een soort wieltje aan de binnenkant dat zowel linksom als rechtsom kan draaien. Als alle staartjes tegelijk draaien, veranderen ze in een bundel die de E. coli naar voren stuwt. Bij een verandering van de chemische concentraties zie je ze als het ware struikelen: de bundel raakt los, de staartjes wapperen even wild op en neer, om zich daarna weer te bundelen in een pluimpje dat de andere kant op wappert. ‘Die chemotaxis speelt een belangrijke rol bij de bacteriën die cholera en de ziekte van Lyme veroorzaken’, vertelt Briegel.
Als je wilt zien dat een bacterie kan zwemmen, kom je met een gewone lichtmicroscoop al een heel eind. Als je wilt weten hoe dat precies gebeurt, komen die Kriossen van pas. Briegel: ‘We willen de structuren zien, maar het probleem is dat elektronenmicroscopie slecht is voor je samples. Je monster bevindt zich in een vacuüm en om het daartegen te beschermen moet je het bijvoorbeeld in plastic gieten. Om bepaalde dingen beter zichtbaar te maken, moet je kleuringen toevoegen. Bovendien schieten de elektronen zelf na verloop van tijd je monster kapot. Dat verandert allemaal details, terwijl we juist in de details geïnteresseerd zijn.’
Briegels groep lost dat op door de monsters niet in plastic te gieten, maar door ze een flash freeze te geven. Een dun laagje bacteriecultuur gaat in vloeibaar ethaan met een temperatuur van bijna tweehonderd graden onder nul. Zo vormen zich geen ijskristallen die de celletjes en hun onderdelen kapot zouden maken, maar raakt het water in een glasachtige staat. Alles blijft heel, en de bacteriën liggen vastgevroren in de beweging die ze aan het maken waren. Mutante bacterievarianten die altijd in dezelfde chemotaxis-stand staan – die bijvoorbeeld altijd ‘denken’ dat ze op suiker afzwemmen – maken het kijkwerk vervolgens gemakkelijker.
Door het monster langzaam te draaien, en door wat slimme beeldbewerking wordt het vervolgens mogelijk om het vliesje aan de buitenkant van de cel en de receptoren die erop zitten – de moleculen waarmee een bacterie chemische stoffen waarneemt – in beeld te krijgen met structuur en al.
Salmonella-bacterie is helemaal bedekt met zogeheten chemoreceptoren: moleculaire voelsprieten waarmee het de omgeving waar kan nemen.
Cholera
‘Dan kunnen we dus ook het verschil zien in structuur tussen de eiwitten van een bacterie die ergens op afzwemt, en eentje die dat juist niet doet’, legt Briegel uit. ‘De cholerabacterie die we ook onderzoeken is een stuk ingewikkelder dan E. coli. Die heeft geen vijf maar 43 receptoren. Er zitten drie systemen voor chemotaxis in, in plaats van eentje. Van die andere twee weten we niet wat ze doen, dat zijn we nu pas in kaart aan het brengen.’
Om te onderzoeken hoe de cholerabacterie gastheren binnenvalt, besmetten de microbiologen zebravissenlarven met de ziekte.
‘Cholera komt van nature bij zebravissen voor, en ze krijgen er ook een beetje diarree van. Maar: bacteriën kun je heel makkelijk onderzoeken met elektronenmicroscopie, omdat ze zo mager zijn. Je elektronen kunnen er doorheen. Een hele vissenlarve is veel dikker, dus we moeten met een speciale ionenstraal laagjes wegpellen om beeld te krijgen. Daar hopen we nog veel beter in te worden, zodat we de interactie tussen gastheer en ziekte goed in beeld kunnen krijgen.’
Dat er nog genoeg te zien valt, bewees ze vorig jaar met een publicatie in het Journal of Bacteriology.
Een internationale samenwerking waar ze deel van uitmaakte, maakte 3D-beelden van negentig soorten bevroren bacteriën, en vond een hele lijst van structuren waarvan nog niemand weet wat die zijn.
‘Mensen denken vaak dat bacteriën saaie dingen zijn om naar te kijken, maar in elke dataset zit wel iets nieuws. Er is echt nog zoveel om te zien en te begrijpen!’
Natuurwetenschappelijk Genootschap Leiden
19 april, 19:45, Huygenslaboratorium