Natuurkundigen Onthul Zwemmen Geheimen van de bacterie Helicobacter pylori: Hoe de zweer- en kankerverwekkende ziekteverwekker overleeft de maag

Hoewel niet zo inspirerend als het hart of zo mysterieus als het brein, de maag is net zo indrukwekkend: de gespierde zak bussen met een zuur zo krachtig dat het zal oplossen metal-maar niet verteren het orgel zelf. De maag beschermt zichzelf uit eigen zuur met een coating van slijm, een tactiek die niet altijd werkt tegen de zweer- en kankerverwekkende Helicobacter pylori, de enige bacterie waarvan bekend is dat hij die barre omgeving koloniseert. H. pylori op de een of andere manier overleeft het zuur, zwemt door de slijmlaag, en infecteert maagcellen. Een geschatte 50 procent van de mensen haven H. pylori in hun buik, maar slechts enkele van hen ontwikkelen maagzweren of maagkanker. Dus begrijpen hoe H. pylori overleeft hier is de sleutel tot het begrijpen van die ziekten.

rama Bansil, een Boston University professor fysica, en van materiaal kunde & bouwkunde, die maag slijm heeft bestudeerd voor meer dan twee decennia, heeft twee factoren die de bacterie geeft een voorsprong onbedekte: de chemische hij scheidt en zijn vaardigheid in het zwemmen. Beide zijn van cruciaal belang voor het succes.

Bnsil, wiens werk wordt gefinancierd door de National Science Foundation, werd nieuwsgierig over maag slijm in de late jaren 1980. “De vraag was toen: De maag produceert bijna een halve liter van maagsap per dag, die is zuur en kan verteren nagels-dus waarom is het niet verteren de maag?" ze zegt. De onderzoekers vermoeden dat de dunne slijmlaag beschermde de maag tegen dit zuur, maar niemand wist precies hoe het werkte. Bnsil, wiens gebied van onderzoek is gels en geleren, begon het gezuiverde eiwit mucine bestuderen, Waardoor maag slijm het vermogen te geleren. In dit vroege werk, zij en haar collega's vinden dat het geleerde alleen onder zeer zure omstandigheden, beneden een pH van 4.

Later, Ze richtte haar aandacht op H. pylori. “Ik besloot dat we eigenlijk zouden proberen en zien hoe deze bacterie overkomt, aangezien deze laag waarschijnlijk gel gelijkende althans zeker zeer viskeus, als een zachte tandpasta of vaseline," ze zegt. “Hoe doet iets zwemmen door middel van een dergelijk medium?”

Sommige onderzoekers hadden de hypothese dat de spiraalvormige bacterie zich als een kurkentrekker een weg baande door het dikke slijm. Maar in laboratoriumexperimenten, Bansil en haar collega's gevonden, verrassend genoeg, dat H. pylori, die zichzelf voortstuwt met roterende flagella, kon helemaal niet door een gel zwemmen. “Ook al leeft het en zijn flagellen draaien, het gaat niet vooruit. Het blijft gewoon op zijn plaats," ze zegt.

Spiraalvormig H. pylori is de enige bekende bacterie die de menselijke maag koloniseert. Een geschatte 50 procent van de mensen haven H. pylori in hun buik, maar slechts enkele krijgen zweren of maagkanker. Foto door lucadp/iStock

Niet zo in maagslijmvlies. Er, H. pylori scheidt een enzym af dat urease wordt genoemd, die ureum in de maag afbreekt in koolstofdioxide en ammoniak, de geur van ammoniak geven aan de adem van besmette mensen. Ammoniak, een basis, reageert met het maagslijmvlies, het verhogen van de pH en het vloeibaar maken ervan. “Het heeft de gel ontgeurd, en deze omkeerbare gelering was de sleutel om deze bacterie te laten overkomen,”Zegt Bansil, in wie dit onderzoek is gepubliceerd Procedures van de Nationale Academies van Wetenschappen in 2009.

Als H. pyloriDe vorm van een kurkentrekker hielp hem niet om door slijm heen te boren, vroegen Bansil en haar collega's zich af, waarom had het die vorm? Een andere spiraalvormige bacterie genaamd Campylobacter jejuni kan het bovenste deel van de dunne darm koloniseren, dus de vorm moet ergens belangrijk voor zijn. “We wilden weten waarom H. pylori heeft een spiraalvormig lichaam,' zegt Maira Constantijn (GRS’17), een promovendus die in het lab van Bansil kwam werken 2014. “Wat is daar het voordeel?”

Velen gingen ervan uit dat het kurkentrekkervormige lichaam toenam H. pyloris zwemsnelheid in het algemeen, omdat kurkentrekkervormen stuwkracht produceren als ze ronddraaien. Eerdere experimenten van andere groepen ondersteunden dit, vinden dat spiraalvormig Helicobacter zwom twee tot drie keer sneller dan staafvormig E. coli. “Maar dat is geen goede vergelijking, omdat je echt twee verschillende organismen vergelijkt,”Zegt Bansil. Ze werkte samen met Nina Salama, een microbioloog aan het Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle die een mutant had gefokt H. pylori, hetzelfde als het origineel maar dan staafvormig.

Daarna hebben ze ze gefilmd, honderden tegelijk, zwemmen in mucine en kweekbouillon, om te zien welke sneller zwommen. De video's vergelijken, dat hebben ze gevonden, gemiddeld, spiraalvormige bacteriën waren over 10 naar 15 procent sneller dan hun staafvormige verwanten. Ze publiceerden hun resultaten in Moleculaire Microbiologie in 2015.

Maar die resultaten waren slechts gemiddelden. Constantino wilde de analyse verder uitbreiden, door de beweging en vorm van afzonderlijke bacteriën te filmen, een moeizaam proces. Door video op hoge snelheid te maken, 200 beelden per seconde, ze was in staat om de snelheid vast te leggen, rotatie, en lichaamsvorm van individuele bacteriën. Zij en haar collega's ontdekten dat beide soorten bacteriën tijdens het zwemmen ronddraaiden, wat betreft 10 naar 15 lichaamslengtes per seconde - 'een behoorlijk goede stap,' maar de helix zwom iets sneller, zegt Bansil. Om precies te begrijpen waarom, Bansil en Constantino stuurden de gegevens naar collega Henry Fu, een universitair hoofddocent bij de afdeling werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Utah, en zijn leerling Mehdi Jabbarzadeh, die het gebruikte om een ​​theoretisch model van te bouwen H. pylori zwemmen. De Utah-wetenschappers ontdekten dat het hebben van meer flagella meer bijdroeg aan snelheid dan aan lichaamsvorm; de spiraalvorm droeg bij, hoogstens, 15 procent van de voortstuwende stuwkracht van de bacterie, bevestiging van wat de wetenschappers eerder hadden gevonden. "De 15 procent verschil lijkt niet erg groot, maar het kan genoeg voordeel zijn dat de spiraalvormige de hengel op de lange termijn zal winnen,”Zegt Bansil.

De resultaten, en videobewijs, werden in november gepubliceerd 2016 in Science vooruitgang. Bansil en haar collega's studeren nu H. pylori van een kankerpatiënt, evenals het maagslijmvlies van de patiënt, op zoek naar aanwijzingen in de specifieke interactie van de bacterie met mucine.

Het werk van Bansil kan nuttig blijken in een andere wetenschappelijke arena: medicijnafgifte. “Veel medicijnen kunnen niet door het slijm heen komen. Alleen hele kleine medicijnen kunnen er doorheen, of die het slijm kunnen afbreken," ze zegt. Het is niet moeilijk om te renderen H.pylori onschadelijk door genetische manipulatie, en of het kan worden geladen als een capsule, met, zeggen, een medicijn voor chemotherapie, de bacterie zou dan zijn aangeboren vermogen kunnen gebruiken om door slijm heen te komen en de behandeling over te dragen, en leveren waar het nodig is. "Dit zou een heel slimme manier kunnen zijn om een ​​gericht medicijn oraal af te leveren,”Zegt Bansil.

Bron: www.bu.edu, door Barbara Moran