door Lisa Zyga , Phys.org
(Phys.org)-De beroemde biologe Lynn Margulis (1938-2011) heeft gedurende haar hele carrière betoogd dat de wereld van micro-organismen een veel grotere invloed heeft op de hele biosfeer – de wereld van alle levende wezens – dan wetenschappers doorgaans erkennen. Nu heeft een team van wetenschappers van universiteiten over de hele wereld de resultaten van honderden studies, de meeste van de laatste tien jaar, over interacties tussen dieren en bacteriën verzameld en samengebracht, en aangetoond dat Margulis gelijk had. De gecombineerde resultaten suggereren dat het bewijs ter ondersteuning van Margulis’ visie een omslagpunt heeft bereikt, en eisen dat wetenschappers enkele van de fundamentele kenmerken van het leven opnieuw onderzoeken door de lens van de complexe, onderling afhankelijke relaties tussen bacteriën en andere zeer verschillende levensvormen.
Het project om het huidige onderzoek naar de interacties tussen dieren en bacteriën te herzien, begon toen enkele wetenschappers het belang van bacteriën op hun eigen vakgebied onderkenden. Voor Michael Hadfield, hoogleraar biologie aan de Universiteit van Hawaii in Manoa, groeide dit besef in de loop van vele jaren toen hij de metamorfose van zeedieren bestudeerde. Hij ontdekte dat bepaalde bacteriën mariene larven ertoe aanzetten zich op bepaalde plaatsen op de zeebodem te vestigen, waar zij in jonge dieren veranderen en de rest van hun leven doorbrengen.
“Toen we eenmaal hadden vastgesteld dat specifieke biofilmbacteriën een essentiële en unieke ligand leveren om de larven van één wereldwijd verspreide zeeworm te stimuleren, ging ons onderzoek natuurlijk verder met een studie van het deel van het bacteriegenoom dat verantwoordelijk is voor de signalering, en met andere soorten, waar we dezelfde betrokken genen vonden,” vertelde Hadfield aan Phys.org. “Margaret McFall-Ngai en ik hebben de huidige situatie uitvoerig besproken en hebben toen besloten om te proberen een aanzienlijk aantal deskundigen op het gebied van de verschillende benaderingen van de studie van interacties tussen bacteriën en dieren bijeen te brengen om een document op te stellen zoals het document dat u nu in handen hebt. We stelden een ‘katalyse-bijeenkomst’ over het onderwerp voor aan het National Science Foundation’s National Evolutionary Synthesis Center (NESCent), dat werd gefinancierd, en het project nam een hoge vlucht.”
Bacteriën omringen ons
In veel opzichten is het gemakkelijk om de prominente rol te zien die bacteriën in de wereld spelen. Bacteriën waren een van de eerste levensvormen die op aarde verschenen, zo’n 3,8 miljard jaar geleden, en ze zullen waarschijnlijk overleven lang nadat de mens er niet meer is. In de huidige boom des levens vormen zij een van de drie hoofdtakken (de andere twee zijn Archaea en Eucarya, waarbij dieren tot de laatste behoren). Hoewel bacteriën zeer divers zijn en bijna overal op aarde leven, van de bodem van de oceaan tot de binnenkant van onze darmen, hebben zij een paar dingen gemeen. Ze zijn ongeveer even groot (enkele micrometers), bestaan meestal uit een of enkele cellen en hebben geen kern.
Hoewel wetenschappers al vele jaren weten dat dieren als gastheer dienen voor bacteriën, die vooral leven in de darmen, in de mond en op de huid, heeft recent onderzoek aan het licht gebracht hoe talrijk deze microben zijn. Studies hebben aangetoond dat mensen ongeveer 10 keer meer bacteriecellen in ons lichaam hebben dan wij menselijke cellen hebben. (Het totaal aan bacteriën weegt echter minder dan een half pond, omdat bacteriecellen veel kleiner zijn dan menselijke cellen).
Terwijl sommige van deze bacteriën gewoon naast dieren leven en niet veel met elkaar te maken hebben, zijn er ook bacteriën die veel met elkaar te maken hebben. Wij associëren bacteriën vaak met ziekteverwekkende “ziektekiemen” of ziekteverwekkers, en bacteriën zijn verantwoordelijk voor veel ziekten, zoals tuberculose, builenpest, en MRSA-infecties. Maar bacteriën doen ook veel goede dingen, en het recente onderzoek onderstreept het feit dat het leven van dieren niet hetzelfde zou zijn zonder hen.
“Het werkelijke aantal bacteriesoorten in de wereld is duizelingwekkend groot, inclusief bacteriën die nu rond de aarde cirkelen in de bovenste lagen van onze atmosfeer en in de rotsen diep onder de zeebodem,” zei Hadfield. “Voeg daarbij al die bacteriën uit alle mogelijke omgevingen die je maar kunt bedenken, van beerputten tot warmwaterbronnen, en overal op en in vrijwel elk levend organisme. Daarom is het aandeel van alle bacteriesoorten dat pathogeen is voor planten en dieren zeker klein. Ik vermoed dat het deel dat gunstig/noodzakelijk is voor planten en dieren eveneens klein is in verhouding tot het totale aantal bacteriën dat in het universum aanwezig is, en dat de meeste bacteriën, in dit perspectief, zeker “neutraal” zijn. Ik ben er echter ook van overtuigd dat het aantal nuttige microben, zelfs zeer noodzakelijke microben, veel, veel groter is dan het aantal ziekteverwekkers.”
Oorsprong van dieren en co-evolutie
Bacteriën hebben vanaf ons nederige begin wellicht een belangrijke rol gespeeld door te helpen bij het ontstaan van meercellige organismen (ongeveer 1-2 miljard jaar geleden) en bij het ontstaan van dieren (ongeveer 700 miljoen jaar geleden). Onderzoekers hebben onlangs ontdekt dat een van de naaste levende verwanten van meercellige dieren, een eencellige choanoflagellate, reageert op signalen van een van zijn prooibacteriën. Deze signalen zorgen ervoor dat delende choanoflagellate cellen verbindingen behouden, hetgeen leidt tot de vorming van goed gecoördineerde kolonies die mogelijk meercellige organismen zijn geworden. Over dergelijke oorsprongsvragen is echter heftig gediscussieerd, en wetenschappers hebben vele hypothesen over hoe deze levensvormen zijn ontstaan. Een bacteriële rol in deze processen sluit andere perspectieven niet uit, maar voegt een extra overweging toe.
Nadat bacteriën de dieren op weg hebben geholpen, hebben zij ook een belangrijke rol gespeeld bij het helpen van deze dieren op hun evolutionaire pad. Terwijl traditioneel wordt gedacht dat de ontwikkeling van dieren in de eerste plaats wordt gestuurd door het genoom van het dier zelf in reactie op omgevingsfactoren, heeft recent onderzoek aangetoond dat de ontwikkeling van dieren beter kan worden gezien als een orkestratie tussen het dier, de omgeving en de co-evolutie van talrijke microbiële soorten. Een voorbeeld van deze co-evolutie kan zich hebben voorgedaan toen zoogdieren endothermie ontwikkelden, of het vermogen om een constante temperatuur van ongeveer 40 °C (100 °F) te handhaven door metabolische middelen. Dit is ook de temperatuur waarbij de bacteriële partners van de zoogdieren optimaal werken, energie leveren voor de zoogdieren en hun behoefte aan voedsel verminderen. Deze bevinding suggereert dat de voorkeurstemperatuur van bacteriën een selectiedruk kan hebben uitgeoefend op de evolutie van genen die verband houden met endothermie.
Bacteriële signalering
Een bewijs voor een diepgewortelde alliantie tussen dieren en bacteriën duikt ook op in de genomen van beide groepen. Onderzoekers schatten dat ongeveer 37% van de 23.000 menselijke genen homologe genen hebben met bacteriën en archaea, d.w.z. dat ze verwant zijn aan genen die voorkomen in bacteriën en archaea en die zijn afgeleid van een gemeenschappelijke voorouder.
Veel van deze homologe genen maken signalering tussen dieren en bacteriën mogelijk, wat suggereert dat ze in staat zijn geweest met elkaar te communiceren en elkaars ontwikkeling te beïnvloeden. Hadfield en zijn groep hebben bijvoorbeeld ontdekt dat bacteriële signalen een essentiële rol spelen bij de metamorfose van sommige larven van ongewervelde zeedieren, waarbij de bacteriën signalen afgeven die verband houden met bepaalde omgevingsfactoren. Andere studies hebben aangetoond dat bacteriële signalen de normale ontwikkeling van de hersenen bij zoogdieren beïnvloeden, het voortplantingsgedrag bij zowel gewervelde als ongewervelde dieren beïnvloeden en het immuunsysteem bij tseetseevliegen activeren. De olfactorische chemicaliën die sommige dieren (waaronder mensen) aantrekken tot hun toekomstige partner, worden ook geproduceerd door de bacteriën die in de dieren leven.
Bacteriële signalering is niet alleen essentieel voor de ontwikkeling, maar helpt dieren ook bij het handhaven van de homeostase, waardoor wij gezond en gelukkig blijven. Uit onderzoek is gebleken dat bacteriën in de darmen via het centrale zenuwstelsel met de hersenen kunnen communiceren. Studies hebben aangetoond dat muizen zonder bepaalde bacteriën defecten vertonen in hersengebieden die angst en depressie-achtig gedrag controleren. Bacteriële signalering speelt ook een essentiële rol bij het bewaken van het immuunsysteem van een dier. Verstoring van deze bacteriële signaalwegen kan leiden tot ziekten zoals diabetes, inflammatoire darmziekten en infecties. Studies suggereren ook dat veel van de ziekteverwekkers die ziekten bij dieren veroorzaken, deze bacteriële communicatiekanalen hebben “gekaapt”, die oorspronkelijk zijn geëvolueerd om een evenwicht te handhaven tussen het dier en honderden nuttige bacteriesoorten.
Signalen komen ook voor in de grotere arena van ecosystemen. Zo kunnen bacteriën in bloemennectar de chemische eigenschappen van de nectar veranderen, waardoor de wijze van interactie tussen bestuivers en planten wordt beïnvloed. Menselijke zuigelingen die vaginaal ter wereld komen, hebben andere darmbacteriën dan kinderen die via een keizersnede ter wereld komen, wat langdurige gevolgen kan hebben. En bacteriën die zich voeden met dode dieren kunnen aaseters – organismen die 10.000 keer zo groot zijn als zijzelf – afstoten door schadelijke geuren te produceren die de aaseters het signaal geven weg te blijven.
In de darm
Bij de vroegste dieren speelden darmbacteriën een belangrijke rol in de voeding doordat zij de dieren hielpen bij het verteren van hun voedsel, en kunnen zij de ontwikkeling van andere nabijgelegen orgaansystemen hebben beïnvloed, zoals het ademhalingssysteem en het urogenitale systeem. De evolutie van de dieren heeft waarschijnlijk ook de evolutie van de bacteriën gestimuleerd, soms in zeer gespecialiseerde niches. Zo wordt 90% van de bacteriesoorten in de ingewanden van termieten nergens anders aangetroffen. Een dergelijke specialisatie betekent ook dat het uitsterven van elke diersoort resulteert in het uitsterven van een onbekend aantal bacteriële lijnen die samen met die diersoort zijn geëvolueerd.
Wetenschappers hebben ook ontdekt dat bacteriën in de menselijke darmen zich aanpassen aan veranderende diëten. Zo hebben de meeste Amerikanen een darmmicrobioom dat is geoptimaliseerd voor het verteren van een vet- en eiwitrijk dieet, terwijl mensen op het platteland van Amazonas, Venezuela, darmmicroben hebben die beter geschikt zijn voor het afbreken van complexe koolhydraten. Sommige mensen in Japan hebben zelfs een darmbacterie die zeewier kan verteren. Onderzoekers denken dat het darmmicrobioom zich op twee manieren aanpast: door bepaalde bacteriesoorten toe te voegen of te verwijderen, en door de gewenste genen van de ene bacterie naar de andere over te brengen via horizontale genoverdracht. Zowel de gastheer als de bacterie profiteren van dit soort symbiotische relaties, die volgens de onderzoekers veel wijder verbreid zijn dan eerder werd gedacht.
Het grote geheel
Al met al hebben de recente studies aangetoond dat dieren en bacteriën een geschiedenis hebben die diep verweven is, en van elkaar afhankelijk zijn voor zowel hun eigen gezondheid en welzijn als dat van hun omgeving. Hoewel de onderzoekers zich uitsluitend hebben gericht op de interacties tussen dieren en bacteriën, verwachten zij dat soortgelijke tendensen van onderlinge afhankelijkheid en symbiose universeel zijn onder en tussen andere groepen, zoals Archaea, schimmels, planten en dieren. Ooit beschouwd als een uitzondering, wordt een dergelijke verstrengeling nu erkend als de regel – precies zoals Margulis vele decennia geleden voorspelde. Als gevolg van deze symbiotische relaties stellen de wetenschappers hier voor dat de definities van een organisme, een milieu, een populatie en een genoom zijn vervaagd en moeten worden herzien. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat dieren beter kunnen worden gezien als gastheer-microbe-ecosystemen dan als individuen.
Daarnaast voorspellen de wetenschappers dat de recente bevindingen over de interacties tussen dieren en bacteriën biologen er waarschijnlijk toe zullen nopen hun kijk op de fundamentele aard van de gehele biosfeer ingrijpend te wijzigen. In dit verband zijn grootschalige onderzoeksprojecten zoals het Human Microbiome Project en het Earth Microbiome Project al aan de gang om het brede scala van bacteriën in de individuele en mondiale systemen te onderzoeken en om te zien wat er gebeurt als de bacteriën worden verstoord.
De wetenschappers hopen uiteindelijk dat de resultaten zullen leiden tot meer interdisciplinaire samenwerking tussen wetenschappers en ingenieurs uit verschillende vakgebieden om de nieuwe microbiële grens te verkennen. Zij stellen dat deze ontdekkingen een revolutie teweeg moeten brengen in de manier waarop biologie vanaf de middelbare school wordt onderwezen, door meer aandacht te besteden aan de relaties tussen bacteriën, hun dierlijke partners en alle andere levensvormen.
“Het is moeilijk om een enkele ‘belangrijkste conclusie’ samen te vatten, anders dan de vermaning aan biologen die dieren bestuderen, van gedrag tot fysiologie en ecologie tot moleculaire biologie, dat het niet uitmaakt welk proces je denkt te bestuderen, je moet zoeken naar en rekening houden met een belangrijke rol voor bacteriën,” zei Hadfield. “In veel gevallen vereist dit partnerschappen over de traditionele grenzen van het onderzoek heen, wat betekent dat zoölogen moeten samenwerken met microbiologen om hun onderzoek vooruit te helpen, dat moleculaire biologen moeten samenwerken met biologen van het hele organisme, enz. Wij willen heel graag dat de boodschap in “Dieren in een bacteriële wereld” een oproep is tot het noodzakelijk verdwijnen van de oude grenzen tussen biowetenschappelijke afdelingen (b.v. Afdelingen Zoölogie, Plantkunde, Microbiologie, enz.) in universiteiten, en samenlevingen (b.v. de American Society for Microbiology, enz.). We willen ook dat de boodschap wordt verspreid in colleges van hogescholen en universiteiten, van inleidende biologie tot cursussen voor gevorderden in de verschillende themagebieden van ons artikel.”
De resultaten zullen de manier waarop de wetenschappers van deze samenwerking doorgaan met hun eigen onderzoeksgebieden ingrijpend veranderen, zei Hadfield.
“Elk van de auteurs van ons artikel verricht fundamenteel onderzoek op een of meer gebieden van de interacties tussen dieren en bacteriën die in het artikel worden besproken, en elk van hen zal zich blijven richten op haar/zijn eigen specialiteit, daar ben ik zeker van,” zei hij. “Maar ik ben er ook zeker van dat de interacties die zijn ontstaan tijdens het samenstellen en schrijven van het artikel (te beginnen met onze NESCent-bijeenkomst in oktober 2011, toen de meesten van ons elkaar voor het eerst ontmoetten) van invloed zullen zijn op ons eigen onderzoek en ertoe zullen leiden dat we nieuwe samenwerkingsverbanden aangaan met andere laboratoria. Voor mij is dat al gebeurd; ik heb een nieuwe samenwerking met de groep van Dianne Newman bij CalTech, een uitstekende groep bacteriologen die ons helpen een veel grondiger onderzoek te doen naar de bacteriële genproducten die verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van de larven.”
Meer informatie: Margaret McFall-Ngai, et al. “Dieren in een bacteriële wereld, een nieuwe noodzaak voor de biowetenschappen.” PNAS Vroege Editie. DOI: 10.1073/pnas.1218525110
Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences