UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (https://dare.uva.nl)
UvA-DARE (Digital Academic Repository)
Studies on a bacterial photosensor
Kort, R.
Publication date
1999
Link to publication
Citation for published version (APA):
Kort, R. (1999). Studies on a bacterial photosensor.
General rights
It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s)
and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open
content license (like Creative Commons).
Disclaimer/Complaints regulations
If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please
let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material
inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter
to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You
will be contacted as soon as possible.
S a m e n v a t t i n g
Sommige bacteriën zijn net zoals groene planten in staat om zonlicht te gebruiken als bron van energie. Om zoveel mogelijk licht op te kunnen vangen, zwemmen deze bacteriën naar het licht toe door hun zweepstaart te roteren. Omdat bacteriën zo klein zijn, kunnen zij niet observeren waar het licht precies vandaan komt; zij nemen veranderingen in hun omgeving waar als functie van de tijd en niet van de ruimte. Om uiteindelijk in een optimaal klimaat voor fotosynthese terecht te komen, zwemmen bacteriën niet gericht, maar met een gemoduleerde, willekeurig beweging, waarbij twee rotatiestanden van de zweepstaart worden afgewisseld. De ene stand leidt tot rechtdoor zwemmen en de andere tot reoriëntatie. Door de reoriëntatie frequentie te verhogen in een ongunstige omgeving en deze te verlagen in een gunstige, zwemt de bacterie uiteindelijk de goede kant op. Daarbij is het van belang dat er constant adaptatie of aanpassing optreedt. Als een bacterie in een gunstiger, maar homogeen klimaat terechtkomt, zal zij snel weer vervallen in een willekeurig zwempatroon.
Bij de bacteriële perceptie van licht zijn waarschijnlijk twee sensoren betrokken. Eén van de lichtsensor functies wordt vervuld door een complex van biomoleculen dat het fotosynthetisch apparaat in de cel vormt. Deze sensor is verantwoordelijk voor een zwemreactie die leidt tot migratie naar het licht toe. Een tweede sensor laat de bacterie weten dat het licht te intens wordt en resulteert in een zwemrespons, waardoor de bacterie een teveel aan schadelijk zonlicht kan vermijden. De laatstgenoemde lichtsensor is een sensor voor blauw licht. Dit is een logisch produkt van de evolutie, want blauw is de meest intense kleur van het zonlicht en het is de kleur die water het beste doorlaat. Hoewel het bestaan van een blauw-licht sensor voor een zwemrespons werd voorspeld op basis van het zwemgedrag van bacteriën in aanwezigheid van verschillende kleuren licht, is nooit bewezen welk biomolekuul deze rol als sensor precies vervult. Er is echter wel een blauw-licht absorberende kandidaat voor deze sensor, het fotoactieve gele eiwit. Over dit eiwit gaat het in de 'Studies on a bacterial photosensor'. Gedurende mijn promotieonderzoek is niet alleen getracht dit eiwit in meer detail te karakteriseren, maar ook om het bewijs te leveren voor zijn biologische rol als lichtsensor voor de hierboven beschreven zwemrespons.
Het fotoactieve gele eiwit werd voor het eerst geïsoleerd uit een aantal zoutminnende bacteriën, die voorkomen in zoutmeren, zoals bijvoorbeeld in de Wadi Natrun in de woestijn van Egypte. Om het bewijs te leveren voor de biologische functie van het fotoactieve gele eiwit was het de bedoeling de genetische informatie voor dit eiwit te blokkeren en het effect daarvan op blauw licht geïnduceerd zwemgedrag te bestuderen. De bacteriën, waarin het fotoactieve gele eiwit was gevonden, waren echter niet erg goed gekarakteriseerd en zij bleken niet erg vatbaar voor het gereedschap, waarover de moleculair bioloog beschikt. Na een zoektocht kwam aan het licht dat ook een goed gekarakteriseerde bacterie, waarvan sommigen beweren dat zij zelfs voorkomt in de grachten van Amsterdam, het fotoactieve gele eiwit bevat (hoofdstuk 2). Door deze bevinding kon in deze bacterie betrekkelijk eenvoudig de genetische informatie uitgeschakeld worden, die codeert voor het fotoactieve gele eiwit. Een analyse van mutanten waarin dit was gebeurd gaf echter aan dat er geen enkel verschil was waar te nemen tussen hun blauw licht zwemreacties en die van hun intacte voorouders (hoofdstuk 3). Dit suggereert dat het fotoactieve gele eiwit een andere functie heeft of dat er een tweede blauw licht sensor is die het effect van het uitschakelen van het fotoactieve gele eiwit verbloemt.
Een eiwit is -het woord zegt het al- over het algemeen wit of beter gezegd kleurloos. Dit komt omdat het is opgebouwd uit een combinatie van twintig verschillende aminozuren die geen zichtbaar licht absorberen. Naast deze aminozuren moet dus ook nog een ander molekuul onderdeel uit maken van de structuur van het fotoactieve gele eiwit. Dit molekuul heet een chromofoor en blijkt in dit geval kaneelzuur te zijn, dat gekoppeld is aan één van de aminozuren binnen in het eiwit. Als het
fotoactieve eiwit blauw licht absorbeert verandert het eiwit van ruimtelijke structuur en kleur, waarna het binnen een seconde zijn gele uitgangstoestand weer bereikt. De cyclische ketting van reacties die hierbij betrokken is, wordt een fotocyclus genoemd en speelt waarschijnlijk een rol bij het doorgeven van een signaal dat de bacterie waarschuwt voor de aanwezigheid van een hoge intensiteit blauw licht. Een groot deel van het in mijn proefschrift beschreven onderzoek gaat over het mechanisme dat ten grondslag licht aan deze fotocyclus. Uit onderzoek naar andere fotoactieve eiwitten, zoals rhodopsines, die onder andere in het menselijk oog voorkomen, blijkt dat als gevolg van lichtabsorptie een dubbele binding omklapt in de chromofoor van het eiwit. Om te onderzoeken of dit ook in het fotoactieve eiwit het geval is, werd kaneelzuur geïsoleerd uit de gele en de door licht veranderde toestand van het eiwit. Een analyse van beide kaneelzuurmolekulen liet inderdaad zien dat als gevolg van lichtabsorptie een dubbele binding was omgeklapt (hoofdstuk 4.1). Vervolgens werd onderzocht wat het effect is op de fotocyclus van het fotoactieve gele eiwit als het kaneelzuurmolecuul vervangen wordt door een molecuul, waarin de dubbele binding niet meer kan roteren. Tot ieders grote verbazing bleek de fotocycius in het aldus veranderde eiwit nog steeds op te treden, zij het ietwat haperend: het duurt nu een kwartier in plaats van een seconde voor het eiwit weer terug is in zijn gele uitgangstoestand (hoofdstuk 4.2).
Een verklaring voor het laatste resultaat werd gevonden door onderzoek naar de structuur van het fotoactieve eiwit met behulp van kristallen van het eiwit en de techniek 'röntgenstraling-kristallografie'. Omdat ook een kristal van het fotoactieve eiwit over de uitzonderlijke eigenschap beschikt dat het een aantal reversibele, structurele veranderingen ondergaat, die gestart kunnen worden met een lichtpuls, is dit eiwit uitermate geschikt voor studies naar de structurele veranderingen die het eiwit in de tijd ondergaat, nadat het is geactiveerd. Er kan als het ware een film gemaakt worden van het fotoactieve gele eiwit in actie. Het eerste shot van deze film, dat gemaakt werd op een miljardste van een seconde na lichtactivatie van het eiwitkristal, bevestigt dat de dubbele binding in het kaneelzuur is omgeklapt Daarnaast laat dit shot zien dat er ook nog een tweede binding, namelijk die waarmee het kaneelzuur aan het eiwit vastzit, is geroteerd, waardoor een zuurstofatoom op een andere positie in het eiwit terechtkomt (hoofdstuk 4.3). Deze beweging kan ook nog steeds optreden in het fotoactieve gele eiwit met het kaneelzuur, waarin de eerder genoemde dubbele binding niet meer kan roteren, en zet mogelijk de vertraagde fotocyclus in dit eiwit in gang. Na het lezen van dit proefschrift zal duidelijk zijn dat slechts een klein, maar interessant deel van de grote vraag naar het moleculaire mechanisme van licht-geïnduceerde signaaltransductie in bacteriën is opgehelderd.
