Het Rapunzel-virus infecteert met zijn enorm lange staart zelfs de taaiste bacteriën: hoe doet hij het?

Het Rapunzel-virus heeft net als Rapunzel uit het bekende sprookje een extreem lange staart. Maar dat is niet het enige bijzondere aan deze bacteriofaag. 

Bacteriofagen zijn virussen die het gemunt hebben op bacteriën. De Rapunzel-bacteriofaag heeft niet alleen een lange staart, hij floreert ook in heet water en pakt de bacteriën die in dit wrede ecosysteem leven.

Ze zijn overal
Virussen zijn ongelooflijk klein: ze passen tientallen tot honderden keren in een gemiddelde bacterie of lichaamscel. Ze dringen een gastheercel binnen en verdubbelen meerdere keren, totdat de cel uiteenvalt en de virussen vrijkomen. Bacteriofagen zijn een belangrijke aftakking binnen het virusrijk. Ze infecteren bacteriën, vermeerderen zich en vernietigen hun gastheer uiteindelijk. Ze zijn enorm divers en overal om ons heen aanwezig. Sommige beschermen ons zelfs tegen schadelijke bacteriën.

“Bacteriofagen, of kortweg fagen, zijn overal waar bacteriën zijn. Ze zitten in het vuil en het water om ons heen en ook in het microbiële ecosysteem van je eigen lichaam”, zegt hoofdonderzoeker Emily Agnello van de University of Massachusetts. De meeste virussen die mensen en dieren infecteren bestaan uit slechts één deel, maar fagen hebben een kenmerkende staart die vastzit aan een stekelige, prismavormige eiwitmantel waarin het DNA-materiaal is opgeslagen.

Rapunzel
Faagstaarten variëren in lengte en stijl. Sommigen zijn lang en soepel, anderen zijn korter en meer stijf. Bij de meeste fagen zijn de staarten microscopisch klein en kort, maar dat kan zeker niet gezegd worden van de ‘Rapunzel-bacteriofaag’ P74-26, die een staart heeft van bijna één micrometer lang, tien keer zo lang als de meeste fagen en net zo dik als sommige soorten spinnenzijde. Voor wie niet zo bekend is met de sprookjes van de gebroeders Grimm: de bijnaam Rapunzel is afgeleid van het sprookje waarin een meisje met extreem lang haar door een boze heks in een toren wordt opgesloten. Ze lokt een prins met haar gezang en laat hem aan haar haren naar boven klimmen.

Monsterlijke staart
Onderzoeker Brian Kelch beschrijft P74-26 als een faag met een ‘monster van een staart’. Faagstaarten hebben een belangrijke functie: het virus gebruikt de staart om door de dikke, stroperige substantie heen te prikken waar het omhulsel van een bacterie van gemaakt is. Dankzij zijn lange staart kan P74-26 de taaiste bacteriën binnendringen en infecteren. Het virus valt niet alleen op door zijn extreem lange staart, maar ook door zijn stabiliteit. Zo lukt het hem zelfs om de taaie bacteriën te pakken te krijgen die in heetwaterbronnen leven, waar de temperatuur kan oplopen tot boven de 80 graden.

Cryo-elektronenmicroscoop
“Elke faagstaart bestaat uit allemaal kleine bouwstenen die samen een lange buis vormen. Uit ons onderzoek blijkt dat deze bouwstenen van vorm veranderen als ze bij elkaar komen”, legt Agnello uit. “Dit gedrag is belangrijk om de bouwstenen in elkaar te laten passen en de juiste structuur van de staartbuis te laten ontstaan.” Agnello en haar team gebruikten krachtige beeldvormingstechnieken en computersimulaties om meer over de wonderlijke staart te weten te komen. “We hebben een cryo-elektronenmicroscoop ingezet. Dit is een gigantische microscoop, die duizenden foto’s en filmpjes kan maken met een enorme vergroting. Door op de staartbuizen van de faag in te zoomen en ze op elkaar te stapelen, konden we precies uitzoeken hoe deze bouwstenen in elkaar passen. Ze bleken op een specifieke manier op elkaar te leunen en zich op deze manier te stabiliseren.”

Bacteriophage structure illustration
Bacteriofaag P74-26. Afbeelding: Leonora Martinez-Nunez

Legoblokjes gaan viraal
De onderzoekers ontdekten dat P74-26 een ‘kogel-en-kom’-mechanisme hanteert ter versteviging van de staart. “Ik beschouw deze faag-bouwstenen als een soort Legosteentjes”, zegt Kelch. “Het zijn net microscopisch kleine Legoblokjes met noppen aan de ene kant en gaten of stopcontacten aan de andere kant, die prachtig in elkaar passen. Probeer je eens Legoblokjes voor te stellen, waarbij de gaten in het begin gesloten zijn. Maar als je met de steentjes begint te bouwen, gaan ze open en kan er verder gebouwd worden aan de staartconstructie.”

Alternatief voor antibiotica
De onderzoeker vervolgt: “We hebben het idee dat de bouwstenen van een of ander oud virus eerder in de evolutie zijn samengesmolten tot één eiwit, alsof twee kleine legoblokjes zijn veranderd in één grote steen zonder naden. De staart van P74-26 is namelijk opgebouwd uit grote, stevige bouwstenen. We denken dat dit een belangrijke reden is voor de uitzonderlijke stabiliteit, ook onder hoge temperaturen.” De onderzoekers zijn nu van plan om het virus genetisch te manipuleren om de lengte van de faagstaart te veranderen en te zien wat er dan gebeurt. Fagen kunnen in allerlei sectoren van nut zijn, van de gezondheidszorg tot milieubehoud en voedselveiligheid. Langstaartige fagen zoals P74-26 worden al gebruikt in klinische onderzoeken om bepaalde bacteriële infecties te behandelen. Aan universiteiten zoals de TU Delft wordt fundamenteel onderzoek gedaan naar bacteriofagen als mogelijk alternatief voor antibiotica.

“Door de bouwstenen van bacteriofagen en de manier waarop ze zijn opgebouwd te bestuderen, begrijpen we de wisselwerking tussen virussen en bacteriën steeds beter. Dit leidt mogelijk op termijn tot effectievere op fagen gebaseerde behandelmethodes. Ik geloof dat het bestuderen van unieke, interessante dingen kan leiden tot uitvindingen en toepassingen die we ons nu nog niet eens kunnen voorstellen”, besluit Agnello.

Bronmateriaal

"Conformational dynamics control assembly of an extremely long bacteriophage tail tube" - Journal of Biological Chemistry
Afbeelding bovenaan dit artikel: Leonora Martinez-Nunez

Fout gevonden?

Voor jou geselecteerd