Piepkleine invasies

Tot voor kort dachten biologen dat alle micro-organismen overal op aarde voorkomen. Maar toen ontdekten ze dat de verdeling van de eencelligen nogal varieert wanneer je verschillende plekken op de planeet vergelijkt. Dit zorgde er voor dat wetenschappers de micro-organismen gingen zien als invasieve soorten, die gebieden kunnen bezetten waar ze eerder niet voorkwamen. Microbiële ecologen van de RUG hebben nu samengevat wat we eigenlijk weten van dit soort microbiële invasies in een overzichtsartikel dat op 1 oktober verscheen in het tijdschrift Trends in Microbiology. Dit geeft niet alleen een beter beeld van de verdeling van micro-organismen op aarde, maar kan ook belangrijk zijn bij de bestrijding van infectieziekten.

Het is een vertrouwd gezicht voor wie wel eens door de Ommelanden fietst: weilanden vol koeien, rustig grazend en – wanneer je op de juiste tijd op de juiste plaats bent – een lekkere verse koeienvlaai laten vallen. De bruine smurrie bevat niet alleen de resten van het grasmaal van de koe, maar ook ontelbare darmbacteriën. Of, anders gezegd: de koeienvlaai is een soort ‘Omaha Beach’ waar darmbacteriën hun invasie uitvoeren op het terrein van de bodembacteriën.

Om een poepende koe te beschouwen als een microbiologische invasie van het weiland is een nieuw perspectief, vertelt Cyrus Mallon. Hij promoveerde onlangs bij het Groningen Institute for Evolutionary Life Sciences van de RUG op het proefschrift ‘Soil microbial invasions’. En hij is de eerste auteur van het overzichtsartikel dat donderdag verscheen. ‘Tot voor kort dacht iedereen dat alle micro-organismen overal voorkwamen, en dat selectie van de omgeving alleen bepaalde welke soorten dominant waren’, legt Mallon uit.

Dit microbiologische paradigma stamt nog uit de tijd dat bacteriën vooral werden geïdentificeerd onder de microscoop, met klassieke technieken die beperkte informatie opleverden. Zelfs toen DNA technieken in zwang kwamen om micro-organismen te determineren gebeurde dit doorgaans met behulp van één specifiek ribosomaal gen. Pas toen wetenschappers de DNA volgorde van verschillende genen gingen gebruiken om de samenstelling van microbiologische gemeenschappen te onderzoeken bleek dat er wel degelijk een biogeografisch patroon zichtbaar was in de verspreiding van soorten. Daaruit volgde de conclusie dat micro-organismen wel degelijk invasies konden uitvoeren.

Zo’n invasie betekent dat een bacterie in een nieuwe omgeving terechtkomt. Mallon: ‘Oceaanstromingen kunnen micro-organismen verspreiden naar nieuwe locaties, en er is ook bewijs dat ze via de lucht reizen. Micro-organismen die naar alle waarschijnlijkheid afkomstig zijn uit de Gobi-woestijn zijn gevonden in luchtmonsters genomen in het noordwesten van de VS.’ En daarnaast zijn er natuurlijk poepende koeien.

Samen met professor Jan Dirk van Elsas en associate professor Joana Salles analyseerde Mallon de recente literatuur om op basis hiervan een beeld te schetsen van microbiële invasies. Hun overzichtsartikel levert twee nieuwe inzichten op. Het eerste is dat microbiële invasies hetzelfde patroon volgen als invasies van dieren- of plantensoorten. Het tweede inzicht is dat een diversiteit aan soorten de beste verdediging is tegen invasies.

Mallon: ‘Op basis van de literatuur konden we vier verschillende fasen in een invasie definiëren: introductie, consolidatie, verspreiding en impact.’ De fasen zijn identiek aan die in een invasie van planten- of dierensoorten. Deze ontdekking kan belangrijke gevolgen hebben, zegt Joana Salles: ‘Nu blijkt dat microbiële ecologie dezelfde regels lijkt te volgen als algemene ecologie zou je micro-organismen als model kunnen gebruiken voor ecologische experimenten.’ Dankzij hun korte generatietijd levert dit veel sneller resultaten op.

Deze verbinding tussen de ecologie van micro-organismen en de ‘gewone’ ecologie is een speerpunt in het onderzoek van Salles. ‘We proberen bovendien de wereld van de ecologie te koppelen aan die van de geneeskunde, om zo nieuwe antwoorden te krijgen op de vraag waarom mensen ziek worden.’

De synthese van een groot aantal experimenten met microbiële invasies laat zien dat de diversiteit van de al aanwezige bacteriële gemeenschap een barrière vormt tegen invasies. En hoewel diversiteit de weerstand tegen invasies goed kan voorspellen, blijkt het mechanisme vooral te liggen in het vermogen van de aanwezige soorten om veel verschillende voedselbronnen te gebruiken, waardoor nieuwe soorten zichzelf maar moeilijk aan voldoende voedingsstoffen kunnen komen.

Dit kan van medisch belang zijn, legt Salles uit. ‘Een ziekteverwekkende salmonellasoort stimuleert bijvoorbeeld de darm om specifieke voedingsstoffen af te scheiden waardoor deze bacterie in het voordeel is vergeleken met andere darmbacteriën. We zouden zo’n infectie dus misschien kunnen bestrijden door een onschadelijke bacterie zo aan te passen dat deze het voedsel voor de salmonella wegkaapt.’

Bovendien kan de kennis over hoe bacteriën een nieuwe omgeving koloniseren de helpen bij de ontwikkeling van nieuwe probiotica (bacteriedrankje zoals Yakult) of prebiotica (stoffen die goede darmbacteriën stimuleren) die zorgen voor een gezonde samenstelling van de bacteriegemeenschap in de darmen. ‘We weten dat er tal van mogelijke toepassingen zijn, maar in dit stadium moeten we nog uitvinden welke daarvan het beste werken.’

Referentie: Microbial invasions: the process, patterns, and mechanisms. Cyrus Alexander Mallon, Jan Dirk van Elsas, Joana Falcão Salles. Trends in Microbiology, 1 Oktober 2015.