Vi lever i en bakteriell värld och det påverkar oss mer än vad vi tidigare trott

(Phys.org)-Under hela sin karriär argumenterade den berömda biologen Lynn Margulis (1938-2011) för att mikroorganismernas värld har en mycket större påverkan på hela biosfären – alla levande varelsers värld – än vad forskarna vanligtvis erkänner. Nu har en grupp forskare från universitet runt om i världen samlat in och sammanställt resultaten av hundratals studier, de flesta från det senaste decenniet, om samspelet mellan djur och bakterier, och har visat att Margulis hade rätt. De kombinerade resultaten tyder på att bevisen som stöder Margulis uppfattning har nått en brytpunkt och kräver att forskarna omprövar några av livets grundläggande egenskaper med utgångspunkt i de komplexa, medberoende relationerna mellan bakterier och andra mycket olika livsformer.

Projektet för att se över den aktuella forskningen om samspelet mellan djur och bakterier inleddes när några forskare insåg betydelsen av bakterier inom sina egna studieområden. För Michael Hadfield, professor i biologi vid University of Hawaii at Manoa, växte insikten under många år när han studerade metamorfosen hos marina djur. Han upptäckte att vissa bakterier påverkar marina larver att bosätta sig på särskilda platser på havsbottnen, där de förvandlas till unga djur och lever resten av sina liv.

”När vi väl hade fastställt att specifika biofilmsbakterier tillhandahåller en viktig och unik ligand för att stimulera larverna av en globalt spridd havsborstmask, gick vår forskning naturligt vidare till en studie av den del av bakteriens arvsmassa som är ansvarig för signaleringen, och till andra arter, där vi hittade samma gener som är involverade”, säger Hadfield till Phys.org. ”Eftersom vi kommer från olika perspektiv på studiet av interaktioner mellan djur och bakterier, och känner igen många fler, diskuterade Margaret McFall-Ngai och jag utförligt den nuvarande situationen och bestämde oss sedan för att försöka samla ett betydande antal experter på olika tillvägagångssätt för studiet av interaktioner mellan bakterier och djur för att utarbeta ett utkast till en artikel som den du har i din hand. Vi föreslog ett ”katalysmöte” i ämnet till National Science Foundations National Evolutionary Synthesis Center (NESCent), vilket finansierades, och projektet tog fart.”

Bakterier omger oss

I många avseenden är det lätt att se den framträdande roll som bakterier spelar i världen. Bakterier var en av de första livsformerna som dök upp på jorden, för cirka 3,8 miljarder år sedan, och de kommer med största sannolikhet att överleva långt efter att människorna har försvunnit. I det nuvarande livets träd upptar de en av de tre huvudgrenarna (de andra två är Archaea och Eucarya, med djur som tillhör den senare). Även om bakterier är extremt olika och lever nästan överallt på jorden, från havets botten till insidan av våra tarmar, har de några saker gemensamt. De är ungefär lika stora (några mikrometer), de består vanligtvis av antingen en enda cell eller några få celler, och deras celler har inga kärnor.

Och även om forskare i många år har vetat att djur fungerar som värdar för bakterier, som framför allt lever i tarmen/tarmkanalen, i munnen och på huden, har nyare forskning avslöjat hur många dessa mikrober är. Studier har visat att vi människor har ungefär 10 gånger fler bakterieceller i våra kroppar än vi har mänskliga celler. (De totala bakterierna väger dock mindre än ett halvt pund eftersom bakterieceller är mycket mindre än mänskliga celler).

Men medan en del av dessa bakterier helt enkelt lever sida vid sida med djur och inte interagerar särskilt mycket, interagerar en del av dem mycket. Vi förknippar ofta bakterier med sjukdomsframkallande ”bakterier” eller patogener, och bakterier är ansvariga för många sjukdomar, till exempel tuberkulos, böldpest och MRSA-infektioner. Men bakterier gör också många bra saker, och den senaste forskningen understryker det faktum att djurlivet inte skulle vara detsamma utan dem.

”Det verkliga antalet bakteriearter i världen är häpnadsväckande stort, inklusive bakterier som nu finns runt jorden i de allra översta skikten av vår atmosfär och i stenarna djupt under havsbottnen”, säger Hadfield. ”Lägg sedan till alla dem från alla möjliga miljöer du kan tänka dig, från avloppsbrunnar till varma källor, och överallt på och i praktiskt taget alla levande organismer. Därför är andelen av alla bakteriearter som är patogena för växter och djur säkert liten. Jag misstänker att den andel som är nyttig/nödvändig för växter och djur på samma sätt är liten i förhållande till det totala antalet bakterier som finns i universum, och säkerligen är de flesta bakterier i detta perspektiv ”neutrala”. Men jag är också övertygad om att antalet nyttiga mikrober, till och med mycket nödvändiga mikrober, är mycket, mycket större än antalet patogener.”

Djurens ursprung och samevolution

Från vår ödmjuka begynnelse kan bakterier ha spelat en viktig roll genom att hjälpa till vid uppkomsten av flercelliga organismer (för ca 1-2 miljarder år sedan) och vid djurens uppkomst (för ca 700 miljoner år sedan). Forskare har nyligen upptäckt att en av de närmaste levande släktingarna till flercelliga djur, en encellig choanoflagellat, reagerar på signaler från en av sina bytesbakterier. Dessa signaler får delande choanoflagellatceller att behålla sina förbindelser, vilket leder till att det bildas välkoordinerade kolonier som kan ha blivit flercelliga organismer. Sådana frågor om ursprung har dock varit föremål för intensiv debatt, och forskarna har många hypoteser om hur dessa livsformer uppstod. En bakteriell roll i dessa processer utesluter inte andra perspektiv utan lägger till ytterligare ett övervägande.

Efter att ha hjälpt till att få igång djuren spelade bakterier också en viktig roll för att hjälpa dem längs deras evolutionära väg. Medan djurens utveckling traditionellt anses styras främst av djurets eget genom som svar på miljöfaktorer, har ny forskning visat att djurens utveckling kanske bättre kan ses som en orkestrering mellan djuret, miljön och samevolutionen av många mikrobiella arter. Ett exempel på denna samutveckling kan ha inträffat när däggdjur utvecklade endotermi, dvs. förmågan att hålla en konstant temperatur på cirka 40 °C (100 °F) med hjälp av ämnesomsättning. Detta är också den temperatur vid vilken däggdjurens bakteriella partner arbetar med optimal effektivitet, vilket ger energi till däggdjuren och minskar deras behov av föda. Detta fynd tyder på att bakteriernas föredragna temperatur kan ha utövat ett selektionstryck på evolutionen av gener som är förknippade med endotermi.

Bakteriell signalering

Ett bevis för en djupt rotad allians mellan djur och bakterier framträder också i båda gruppernas genomer. Forskare uppskattar att cirka 37 procent av de 23 000 mänskliga generna har homologer med bakterier och Archaea, dvs. de är besläktade med gener som finns i bakterier och Archaea och som härstammar från en gemensam förfader.

Många av dessa homologa gener möjliggör signalering mellan djur och bakterier, vilket tyder på att de har kunnat kommunicera och påverka varandras utveckling. Ett exempel är Hadfields och hans grupps upptäckt att bakteriell signalering spelar en viktig roll för att framkalla metamorfos hos vissa larver av marina ryggradslösa djur, där bakterierna producerar signaler som är förknippade med särskilda miljöfaktorer. Andra studier har visat att bakteriell signalering påverkar den normala hjärnutvecklingen hos däggdjur, påverkar reproduktionsbeteendet hos både ryggradslösa och ryggradslösa djur och aktiverar immunsystemet hos tsetseflugor. De luktkemikalier som lockar vissa djur (inklusive människor) till sina potentiella partner produceras också av djurens inhemska bakterier.

Bakteriell signalering är inte bara viktig för utvecklingen, den hjälper också djuren att upprätthålla homeostas och håller oss friska och lyckliga. Som forskning har visat kan bakterier i tarmen kommunicera med hjärnan via det centrala nervsystemet. Studier har visat att möss utan vissa bakterier har defekter i hjärnregioner som kontrollerar ångest och depressionsliknande beteenden. Bakteriesignalering spelar också en viktig roll när det gäller att bevaka ett djurs immunsystem. Om dessa bakteriella signalvägar störs kan det leda till sjukdomar som diabetes, inflammatoriska tarmsjukdomar och infektioner. Studier tyder också på att många av de patogener som orsakar sjukdomar hos djur har ”kapat” dessa bakteriella kommunikationskanaler som ursprungligen utvecklades för att upprätthålla balansen mellan djuret och hundratals nyttiga bakteriearter.

Signalering förekommer också på ekosystemens större arena. Till exempel kan bakterier i blomnektar ändra nektarens kemiska egenskaper, vilket påverkar hur pollinatörer interagerar med växter. Människobarn som föds vaginalt har andra tarmbakterier än de som föds genom kejsarsnitt, vilket kan ha långvariga effekter. Bakterier som livnär sig på döda djur kan stöta bort asätare – organismer som är 10 000 gånger större än de själva – genom att producera skadliga lukter som signalerar åt asätarna att hålla sig borta.

I tarmen

I de tidigaste djuren spelade tarmbakterier en viktig roll för näringstillförseln genom att de hjälpte djuren att smälta sin föda, och de kan ha påverkat utvecklingen av andra närliggande organsystem, t.ex. luftvägarna och det urogenitala systemet. På samma sätt har djurens utveckling sannolikt drivit på bakteriernas utveckling, ibland till mycket specialiserade nischer. Till exempel finns 90 procent av bakteriearterna i termitinälvorna inte någon annanstans. En sådan specialisering innebär också att utrotningen av varje djurart resulterar i utrotningen av ett okänt antal bakterielinjer som har utvecklats tillsammans med den.

Vetenskapsmännen har också upptäckt att bakterier i människans tarm anpassar sig till ändrade kostvanor. De flesta amerikaner har till exempel ett tarmmikrobiom som är optimerat för att smälta en fett- och proteinrik kost, medan människor på landsbygden i Amazonas, Venezuela, har tarmmikrober som är bättre lämpade för att bryta ner komplexa kolhydrater. Vissa människor i Japan har till och med en tarmbakterie som kan smälta sjögräs. Forskarna tror att tarmmikrobiomet anpassar sig på två sätt: genom att lägga till eller ta bort vissa bakteriearter och genom att överföra de önskade generna från en bakterie till en annan genom horisontell genöverföring. Både värd och bakterier drar nytta av denna typ av symbiotiska relation, som forskarna tror är mycket mer utbredd än man tidigare trott.

Den stora bilden

Tillsammans har de senaste studierna visat att djur och bakterier har en historia som är djupt sammanflätad, och att de är beroende av varandra för sin egen hälsa och sitt eget välbefinnande samt för miljöns hälsa och välbefinnande. Även om forskarna uteslutande fokuserade på samspelet mellan djur och bakterier förväntar de sig att liknande tendenser till medberoende och symbios är universella bland och mellan andra grupper, t.ex. arkéer, svampar, växter och djur. En gång i tiden betraktades sådan samverkan som ett undantag, men nu börjar den erkännas som regel – precis som Margulis förutspådde för många decennier sedan. På grund av dessa symbiotiska relationer föreslår forskarna här att själva definitionerna av en organism, en miljö, en population och ett genom har blivit otydliga och bör ses över. Det kan till exempel vara så att djur bättre betraktas som ekosystem med värddjur och mikrober än som individer.

För övrigt förutspår forskarna att de senaste rönen om samspelet mellan djur och bakterier troligen kommer att kräva att biologer i hög grad ändrar sin syn på hela biosfärens grundläggande karaktär. I linje med detta pågår redan storskaliga forskningsprojekt som Human Microbiome Project och Earth Microbiome Project för att undersöka det breda utbudet av bakterier i de individuella och globala systemen och för att se vad som händer när bakterierna störs.

I slutändan hoppas forskarna att resultaten kommer att främja mer tvärvetenskapligt samarbete mellan forskare och ingenjörer från olika områden för att utforska den nya mikrobiella gränsen. De menar att dessa upptäckter borde revolutionera sättet att undervisa i biologi från gymnasienivå och uppåt, genom att fokusera mer på relationerna mellan bakterier, deras djurpartners och alla andra livsformer.

”Det är svårt att sammanfatta en enskild ”viktigast slutsats”, annat än en förmaning till biologer som studerar djur, från beteende till fysiologi och ekologi till molekylärbiologi, att oavsett vilken process man tror att man studerar, så måste man leta efter och ta hänsyn till att bakterier har en viktig roll”, säger Hadfield. ”I många fall kan detta kräva partnerskap över traditionella forskningsgränser, vilket innebär att zoologer måste samarbeta med mikrobiologer för att föra sin forskning framåt, att molekylärbiologer måste samarbeta med biologer som arbetar med hela organismer osv. Vi vill verkligen att budskapet i ”Animals in a bacterial world” ska vara en uppmaning till att de gamla gränserna mellan de biovetenskapliga institutionerna (t.ex. zoologiska, botaniska, mikrobiologiska etc.) vid universiteten och samhällen (t.ex. American Society for Microbiology etc.) måste försvinna. Vi vill också att budskapet ska spridas i college- och universitetskurser, från introduktionskurser i biologi till avancerade kurser i de olika ämnesområdena i vår artikel.”

Resultaten kommer att förändra det sätt på vilket forskarna i detta samarbete fortsätter med sina egna forskningsområden på ett genomgripande sätt, sade Hadfield.

”Var och en av författarna till vår artikel bedriver grundforskning inom ett eller flera av de områden av samspelet mellan djur och bakterier som diskuteras i artikeln, och var och en av dem kommer att fortsätta att fokusera på sin egen specialitet, det är jag säker på”, sade han. ”Men jag är också säker på att de interaktioner som utvecklats under sammanställningen och skrivandet av artikeln (med början vid vårt NESCent-möte i oktober 2011, då de flesta av oss träffades för första gången) kommer att påverka vår egen forskning och få oss att etablera nya samarbeten med andra laboratorier. Detta har redan skett för min del. Jag har ett nytt samarbete med Dianne Newmans grupp vid CalTech, en enastående grupp bakteriologer som hjälper oss att göra en mycket mer djupgående undersökning av de bakteriella genprodukter som är ansvariga för larvutvecklingen.”