Master student beschrijft ecologie en evolutie van bacteriën en hun virussen

Ook een bacterie kan een virusje oplopen, en dat veroorzaakt vaak meer dan een verkoudheidje. Zo’n virus kan een bacterie uit elkaar doen spatten, en zo nieuwe virusdeeltjes verspreiden. Daarom heten bacterie-virussen ook wel ‘bacteriofagen’ oftewel bacterie-eters. De korte benaming is ‘fagen’. Maar soms ontstaat er tussen fagen en bacteriën een relatie die voordelig is voor beide. Master student Evolutionaire Biologie Nancy Obeng beschreef dit in een ‘Opinion Paper’ in het tijdschrift Trends in Microbiology.

Nancy Obeng is inmiddels tweedejaars student aan de master Evolutionaire Biologie van de RUG. In haar eerste jaar werd ze gegrepen door de fagen. ‘Bacteriofagen zijn heel klein, ze kunnen niet veel genetische informatie opslaan. Maar soms heeft zo’n faag een gen van een bacterie bij zich. Ik vroeg mij af waarom ze dat deden’, legt ze uit. Obeng vroeg zich af of deze extra bagage hen soms een voordeel bood.

Ze las de literatuur en besloot haar eerstejaars essay over dit onderwerp te schrijven. Toen haar begeleider, hoogleraar Microbiële Ecologie Jan Dirk van Elsas het stuk las was hij onder de indruk en vroeg Obeng het uit te werken tot een overzichtsartikel. Dit werd is geaccepteerd door het tijdschrift Trends in Microbiology, dat het op 27 januari publiceerde als Opiniebijdrage.

Een faag die een bacterie infecteert dwingt de bacterie vaak direct om nieuwe virusdeeltjes te maken, waarna de cel uiteindelijk openbarst om nieuwe fagen te verspreiden. Maar soms integreert de faag z’n erfelijk materiaal in het DNA van de bacterie en blijft daar ‘slapend’ aanwezig. Bij ieder deling van de bacterie hebben de dochtercellen een kopie van de faag in hun DNA. Daar hebben ze geen last van, totdat iets de faag doet ‘ontwaken’. Die komt dan uit het DNA, produceert nieuwe virusdeeltjes en laat de cel openbarsten. Bacteriën kunnen zich hiertegen verdedigen. Zo kunnen ze faag-DNA herkennen en afbreken, of zorgen dat geïntegreerd faag-DNA niet meer actief kan worden.

Als een slapende faag ontwaakt, zorgt die er voor dat zijn DNA uit het genoom van de bacterie wordt geknipt. Op die manier kan er ook wat DNA van de bacterie meekomen. En soms houdt de faag zo’n bacterieel gen bij zich. ‘Dat biedt geen direct voordeel aan de faag, dus verwachtte ik dat dit extra gen een voordeel biedt aan de bacterie die gastheer is voor de faag – en dat de faag daar dan zelf voordeel van heeft’, legt Obeng uit.

In haar artikel bespreekt ze verschillende mogelijkheden. ‘Fagen kunnen hun gastheer genen bezorgen die helpen om te overleven. De darmbacterie E. coli krijgt soms via fagen een gen om een gifstof te produceren die het gemakkelijker maakt de darmen te infecteren.’ Andere genen die afkomstig zijn van fagen stimuleren bijvoorbeeld de stofwisseling van bacteriën.

Dit levert de bacterie voordeel op, maar hoe zit het met de faag zelf? Zoals gezegd, zolang een faag in het DNA van een bacterie zit, krijgt iedere dochtercel een kopie van de faag mee. Dus wat goed is voor de bacterie is goed voor de faag. Vindt de bacterie dat goed? ‘Recente publicaties suggereren dat bacteriën soms de fagen toestaan om in hun DNA aanwezig te blijven, door hun verdedigingsmechanismen deels uit te schakelen. Dat is natuurlijk een strategie met risico’s, want de faag kan actief worden en de cel laten openbarsten.’

Maar Obeng vond aanwijzingen dat een bacteriepopulatie er baat bij kan hebben wanneer een paar individuele cellen op die manier kapot gaan. ‘De overige cellen kunnen de voedingsstoffen en bouwstenen die daarbij vrijkomen weer gebruiken.’ Bijvoorbeeld om de biofilm te versterken, de matrix waarin veel bacteriën leven. Zo helpen bacterie en faag elkaar.

‘Met dit artikel wilden wij ideeën uit de evolutiebiologie presenteren aan microbiologen’, zegt Obeng. De verbinding tussen evolutie, ecologie en biologische mechanismen is het centrale thema van het onderzoeksinstituut GELIFES (Groningen Institute for Evolutionary Life Sciences), waar Obeng’s begeleider en mede-auteur, promovedus Akbar A. Pratama, deel van uitmaken. ‘Door de evolutionaire dynamiek er bij te betrekken kunnen we een beter begrip krijgen van de mechanismen die de relatie tussen bacterie en faag vormgeven.’

Referentie: The Significance of Mutualistic Phages for Bacterial Ecology and Evolution Nancy Obeng, Akbar Adjie Pratama, Jan Dirk van Elsas, Trends in Microbiology, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tim.2015.12.009

Department of Microbial Ecology, MicrobialEcology – Groningen InstituteforEvolutionaryLifeSciences, University of Groningen.