Bacteriën offeren zichzelf op als hun biofilm niet meer prettig is om in te leven. Hun nazaten profiteren hiervan door te ontkomen en te verhuizen naar vruchtbaarder plekken.

Biofilms zijn overal in de natuur te vinden, vastgehecht aan oppervlakken. Het is de plaque op tanden, het geeft geur en smaak aan kaas en vormt de slijmerige substantie op stenen in het water en bij vochtig weer op vlonders in de tuin. Het is opgebouwd uit een gestructureerde en complexe gemeenschap van micro-organismen, die vastzit aan een oppervlak door middel van zelfgeproduceerd slijm.

Met z’n allen in de biofilm
Leven in een biofilm biedt tal van voordelen voor bacteriën. Zo beschermt het tegen natuurlijke vijanden en kunnen de bacteriën water en voedsel efficiënt vasthouden en verdelen. Ook biedt het meer weerstand tegen voor de bacteriën giftige stoffen, zoals antibiotica. De microscopisch kleine organismen hebben dus veel profijt van het samenklonteren, maar als de omstandigheden om te overleven om wat voor reden dan ook verslechteren, is het van levensbelang om ook een mogelijkheid te hebben om de biofilm te verlaten. Bacteriën willen in zo’n situatie graag naar een meer gastvrije omgeving verhuizen, maar het is niet altijd even makkelijk om aan de slijmerige laag te ontkomen. Er is echter een bacteriesoort die daar wat op gevonden heeft.

“Voor de bacterie Caulobacter crescentus wordt de biofilm een soort eeuwige gevangenis: als cellen eenmaal aan een oppervlak zijn vastgehecht met de krachtige microbiële lijm, kunnen ze de biofilm niet meer verlaten”, vertelt microbioloog Yves Brun, professor aan de Université de Montréal. “Maar wanneer deze aangehechte cellen splitsen en vermenigvuldigen, hebben hun niet-vastgeplakte dochtercellen de keuze om zich bij de biofilm aan te sluiten of weg te zwemmen.”

Cellen geven hun DNA af
Hoe beslissen cellen of ze in de biofilm achterblijven of het ruime sop kiezen? “We hebben in 2010 al aangetoond dat het DNA van Caulobacter-cellen vrijkomt wanneer zij sterven in de biofilm. Dit proces koppelt de dochtercellen gedeeltelijk los van de slijmlaag, en stimuleert zodoende een verhuizing uit biofilms waar het niet al te goed toeven is. Waar het sterftecijfer toeneemt, vliegen de dochters uit”, verklaart Brun.

Zijn team dook voor een recente studie, gepubliceerd in eLife, dieper in deze overlevingsstrategie en zocht uit of die celdood willekeurig optreedt bij een afname van de omgevingskwaliteit of dat het een gereguleerd proces is dat op een specifiek signaal reageert. “We hebben aangetoond dat bij de Caulobacter een proces van geprogrammeerde celdood plaatsvindt, dat ervoor zorgt dat sommige cellen zichzelf opofferen wanneer de omstandigheden in de biofilm verslechteren”, zegt hoofdonderzoeker Cécile Berne. “Dit mechanisme staat bekend als een toxine-antitoxinesysteem. Het maakt gebruik van een toxine die zich richt op een vitale functie van het organisme en een bijbehorend tegengif, de antitoxine,” legt ze uit. “De toxine is stabieler dan de antitoxine. Wanneer de geprogrammeerde celdood start, wordt de hoeveelheid antitoxine verminderd, wat resulteert in het overlijden van het organisme.”

Wanneer zuurstof schaars wordt
“We hebben met behulp van genetica en microscopen aangetoond dat het toxine-antitoxinesysteem wordt geactiveerd wanneer zuurstof schaars wordt. Als een biofilm groter wordt, strijden cellen meer en meer om de beschikbare zuurstof en worden de omgevingsomstandigheden steeds slechter”, zegt Berne. Als gevolg gaat een deel van de bacteriekolonie dood, waarbij het DNA van de bacteriën vrijkomt, wat de verspreiding van hun levende dochtercellen naar vruchtbaarder oorden mogelijk maakt. Zo wordt overbevolking voorkomen en kunnen de levensomstandigheden van de biofilm mogelijk verbeteren.

Effect op ons dagelijks leven
Biofilms hebben zowel positieve als negatieve effecten op ons dagelijks leven. Bacteriën die in biofilms leven, worden gebruikt bij de voedselproductie, de afvalwaterzuivering en voor het saneren van vervuilde grond. “Het vervelende is dat het leven in een biofilm, met alle voordelen en bescherming die het geeft, ook een strategie is die door ziekteverwekkende bacteriën wordt gebruikt om resistenter te worden tegen antibiotica”, waarschuwt Brun. “Het achterhalen van de mechanismen die de balans bepalen tussen cellen die zich aansluiten bij de biofilm en cellen die ervoor kiezen om er vandoor te gaan, kan ons helpen in de strijd tegen antibioticaresistentie. We streven ernaar om dit proces te manipuleren en de groei van biofilms te kunnen stimuleren of af te kunnen breken, wanneer we dat nodig achten.”