Deinococcus Radiodurans – a radiation hero

April 6, 2011

Since I will start with a microbiology instership shortly I am kind of into microorganisms  right now. This is an article in Dutch I wrote about the fantastic radiation resistance of the bacterium Deinococcus radiodurans. I wrote this piece of work for a university course on writing skills under the impact of the Fukoshima nuclear powerstation catastrophe.

Conan de bacterie

De mens in kwetsbaar. Zelfs Hollywood acteur Arnold Schwarzenegger in zijn rol als “Conan the Barbarian” is niet te vergelijken met andere organismen als het gaat om de effecten van radioactieve straling. Een nucleaire ramp zoals tegenwoordig in Japan gebeurt heeft dus een enorme directe invloed op alle mensen die in de dichtbije omgeving leven, maar ook een lange termijn invloed op alle mensen die er ver vandaan wonen. Toch zijn er organismen op aarde voor wie het helemaal niet uitmaakt als ze zich dichtbij nucleaire straling bevinden. Een voorbeeld hiervan is Deinococcus radiodurans.

Deinococcus radiodurans (D. radiodurans) is een bacterie die hoort tot een klasse van polyextremofiele bacteriën. Dit betekent dat ze in staat zijn om onder extreme omstandigheden te overleven die voor de meeste andere organismen dodelijk zouden zijn. D. radiodurans is dus bijvoorbeeld immuun tegen kou, uitdroging, vacuüm en een zure omgeving. Door deze eigenschappen is D. radiodurans ook wel bekend onder de naam “Conan de bacterie”. De meest verbazingwekkende eigenschap van D. radiodurans is echter dat het bijna immuun is tegen radioactieve gammastraling. Op aarde is dit een fenomeen dat extreem zelden optreed, mede omdat het DNA en alle eiwitten zeer kwetsbaar zijn voor deze sterke straling. Maar waarom is deze straling eigenlijk zo gevaarlijk? En waarom zijn sommige organismen zoals D. radiodurans er blijkbaar immuun tegen?

De basis – Wat doet straling eigenlijk?

Veel van de straling waarmee we iedere dag te maken hebben is elektromagnetische straling en ze dekt een heel groot spectrum van fenomenen, zoals licht, af. Hoe langer de golven, hoe minder energie bevatten de fotondeeltjes in zo een golf, hoe korter de golven, hoe meer energie bevatten de fotonen. Sommige straling met een extreem korte golflengte, zoals röntgenstraling of de straling die bijvoorbeeld in Japan optreedt, bevat namelijk zoveel energie dat ze in staat is door de huid en celmembranen te breken. Het probleem is echter niet dat de straling in staat is door de huid te breken maar dat ze het vermogen bezit om belangrijke stoffen zoals DNA en eiwitten te veranderen. Straling waarbij dit risico bestaat noemt men ioniserende straling. Alfa, bèta en gamma straling zijn een belangrijk onderdeel hiervan. Fotonen (alfa en beta straling) en atomkernen (gamma straling) die bij het splitsen van radioactieve atomen vrijkomen, bevatten genoeg energie om negatief geladen elektronen van normaal gesproken niet geladen lichaamseigen moleculen af te splitsen. Omdat de moleculen nu een echte lading hebben noemt men ze door de straling “geïoniseerd”. Deze moleculen worden ook “vrije radicalen” genoemd en bevatten dus een vrij elektron. Hierdoor zijn deze atomen erg reactief en zijn in staat om verbindingen aan te gaan met bijna alle moleculen die in de buurt liggen. In het lichaam heeft dit extreem negatieve consequenties. Het DNA verliest haar coderende structuur en eiwitten en enzymen verliezen hun functie. Belangrijke stofwisselingsprocessen en de nieuwe aanmaak van eiwitten gaan nu mis. Dit geld in theorie natuurlijk ook voor D. radiodurans. In de praktijk blijkt dit echter niet zo te zijn (figuur). Op de vraag hoezo dit zo is heeft de wetenschap de afgelopen jaren een aantal antwoorden kunnen vinden.

 

In de figuur wordt de tolerantie van de mens en D. radiodurans tegen straling vergeleken. Het valt op dat deze organismen met een factor 1000 meer immuun tegen straling zijn dan de mens.

Conan van binnen

Sinds 1959 weet men al dat D. radiodurans bestaat maar pas in 1999 werd voor het eerst het genoom ontrafeld en sommige mechanismen voor stralingsresistentie zijn sindsdien verklaarbaar geworden. Ten eerste bevat dit organisme meerdere kopieën van zijn genoom. Als tenminste een hiervan onveranderd is dit al voldoende om te overleven. Ten tweede beschikt D. radiodurans over een extreem snel en efficiënt werkend DNA repair system. Zelfs zware verstoringen zoals een chromosoom breuk worden binnen 12-24 uur via een twee-staps proces hersteld. Stap één verbindt de chromosoom fragmenten weer met elkaar, dit wordt single-strand annealing genoemd. Tijdens de tweede stap lost een enzym de betrokken gebieden op en fuseert het DNA weer. Men noemt dit homologe recombinatie. In tegenstelling tot de mens veroorzaakt dit proces geen extra mutaties. In 2007 is ook nog een additionele manier van bescherming bekend geworden. Molecuul constructen met het atoom mangaan, dat in de natuur niet vaak voorkomt, werken als anti-oxidanten en vangen door straling geïoniseerde atomen weg. Ze beschermen op deze manier de cel. Twee jaar geleden werd bovendien duidelijk dat een verbinding van stikstof en zuurstof belangrijk is voor celgroei en celdeling nadat DNA schade is opgetreden.

Wetenschap in het donker

Helaas zijn alle antwoorden nog niet voldoende om volledig te kunnen verklaren hoezo dit organisme deze verbazingwekende eigenschappen bezit. Alle genoemden herstel- en wegvangmechanismen blijken niet krachtig genoeg te zijn. Bovendien: Hoe komt het nu eigenlijk, als men de ontwikkelingsgeschiedenis bekijkt, dat D. radiodurans zo immuun is tegen straling? Op aarde bedraagt de natuurlijke gemiddelde straling per jaar namelijk maar 0.004 Gray per jaar. Een resistentie tot 10,000 Gray is dus eigenlijk niet nodig. Een vermoeden is dat de resistentie toeval is en vooral met droogte tolerantie te maken heeft. Als men namelijk sommige herstel mechanismen muteert, verliest de bacterie zijn droogtetolererend vermogen.

Veel van de waarheid over deze bacterie ligt dus nog verborgen in het donker. Misschien wordt dus bijvoorbeeld in de toekomst nog duidelijk of, zoals wetenschappers speculeren, D. radiodurans een gast uit het heelal is. Hier is de straling namelijk erg hoog en het watergehalte zeer laag. Maar misschien is de bacterie ook “gewoon” op aarde geëvolueerd. Ook in dit laatste geval blijft er nog wel veel om te ontdekken. Wellicht laten zich er in de toekomst zelfs medische toepassingen, gebaseerd op D. radiodurans, afleiden die de mens beter tegen de vreselijke gevolgen van straling kunnen beschermen.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: