In het jaar 2003 bereikten Amerikaanse onderzoekers een grote doorbraak in het genetisch onderzoek van de bodem. Uit een hapje bodem filterden ze al het beschikbare DNA. Vervolgens knipten ze dat in duizenden kleine stukjes, die ze daarna door een zogenoemde sequencer haalden. Zo’n sequencer bepaalt per stukje DNA de volgorde van de A’s, C’s, T’s en G’s van het genetisch alfabet. Door in al die stukjes de overlappende tekst te zoeken, kon in de computer de puzzel weer op de juiste volgorde in elkaar worden gezet. En zie daar: van letterlijk alle organismen in de betreffende bodem was ineens het complete genoom bekend!
“Er zit natuurlijk wel een belangrijke kanttekening bij deze geschiedenis”, benadrukt emeritus hoogleraar microbiële ecologie van de bodem professor Hans van Veen met een minzame glimlach. “Het ging om een bodemmonster uit een extreem zure mijn. Bij de lage pH in die mijn kunnen maar heel weinig organismen overleven. In het betreffende monster werden dan ook maar vijf verschillende bacteriën gevonden. Als ik hier bij mijn werkkamer, uit de tuin van het Nederlands Instituut voor Ecologie in Wageningen, een hapje grond haal, dan zitten daar met gemak enkele tienduizenden verschillende organismen in. Het is ijdele hoop om daar op korte termijn net zo’n complete DNA-analyse per soort van te maken. Maar eerlijk is eerlijk, in die zure mijn in de VS is wel het principe bewezen: je kan de soorten in een bodem herkennen door alleen naar het DNA te kijken.”
Terra incognita
Om een serieus ‘terra incognita’ te vinden hoef je volgens Van Veen echt geen ontdekkingsreiziger meer te worden. Een hap uit de eerste de beste gewone bodem volstaat. “Het grote probleem is natuurlijk dat we de bacteriën, schimmels en andere microben in de bodem niet kunnen zien. Kweken in het laboratorium, op een voedingsmedium in een petrischaaltje zou helpen, maar de meeste microben kunnen we ook nog niet kweken om ze herkenbaar te maken. Van alle micro-organismen kunnen we naar schatting hooguit een procent of vijf in het lab kweken. Die andere 95% kennen we nauwelijks, laat staan dat we weten wat hun functie in het ecosysteem van de bodem is.”
De eerste grote stappen voorwaarts in de genetische ontdekkingsreis door de bodem werden gemaakt in de jaren negentig van de vorige eeuw. DNA dat uit de bodem werd geïsoleerd, werd in min of meer willekeurige stukjes geknipt en vervolgens door een stroperige gel gescheiden. Het resultaat was het bekende streepjespatroon, waarmee een ‘genetische vingerafdruk’ jarenlang werd verbeeld. Van Veen: “Met dat streepjespatroon kon je natuurlijk niet alle individuele soorten herkennen. Want hoeveel verschillende bandjes zie je nou helemaal op zo’n gelplaatje; een stuk of zestig? Tegelijk gaven die eerste DNA-analyses al wel een eerste indruk van de diversiteit van het leven in de bodem.”
Rond de eeuwwisseling volgden de eerste echte analyses van het genoom van een bodemmonster. “Het was in die tijd nog peperduur en tijdrovend om de sequentie van een stukje DNA te bepalen. Inmiddels is dat relatief goedkoop en zijn de sequencers ook razendsnel geworden. Maar nog steeds is de diversiteit van de organismen in een bodem zó groot dat we die niet ‘even’ in een sequencer kunnen identificeren”, benadrukt Van Veen. “Het beste dat we uit een bodem kunnen halen is een heel grof overzicht van de organismen die erin zitten. Zo’n overzicht is op zijn best net zo goed als de databases die we in de loop van de jaren als internationale onderzoeksgemeenschap hebben opgebouwd. En daar zitten nog steeds heel veel ‘Unidentified Microbial Organisms’ (UMO’s) in.”
De rol van microben in de bodem
Interessanter nog dan de vraag wat er allemaal in de bodem zit aan bacteriën, vindt Van Veen de vraag wat al die microben daar doen. “Ontegenzeggelijk zijn ze succesvol, anders zouden er niet zo veel verschillende micro-organismen in zulke grote aantallen in de bodem zitten. Je moet immers bedenken dat er in een gram grond evenveel bacteriën zitten als er mensen op aarde zijn! Maar wat doen ze daar? En hoe doen ze wat ze doen? Ook op die vragen begint de genetica steeds vaker een antwoord te geven.”
Eén van de eersten die op die manier naar de genetische diversiteit van een ecosysteem keek, was de Amerikaanse moleculair bioloog Craig Venter. Met zijn zeilschip Scorcerer II (‘de tovenaar’) voer hij tussen 2003 en 2008 hetzelfde rondje om de wereld dat Darwin anderhalve eeuw daarvoor had gevaren. Niet bepaald een snelheidsrecord, maar hij had dan ook wat te doen onderweg. Uit duizenden watermonsters filterde hij het DNA om dat vervolgens te sequencen. Hij keek daarbij niet alleen naar de verschillende soorten bacteriën die in het water zitten, maar ook naar de individuele genen en hun functies in die bacteriën. Van Veen: “Nu het bepalen van de DNA-sequenties relatief zo goedkoop is geworden, zijn bodemecologen op eenzelfde manier naar bodemmonsters aan het kijken: welke DNA-codes voor welke enzymen zitten er in een bodemmonster, en wat zegt dat over de processen die zich daar afspelen.”
Netwerken in de bodem
Behalve naar enzymen, kijken bodemecologen ook graag naar de relaties tussen verschillende bodemorganismen. Van Veen: “Als je van heel veel verschillende bodemmonsters de aanwezige soorten bepaalt, en je houdt ook bij welke soorten telkens tegelijk voorkomen, dan kun je daar een prachtig spinnenweb van tekenen. Steeds als twee soorten bij elkaar voorkomen, trek je tussen die soorten een lijntje. Hoe vaker een soort door een lijntje met een ander is verbonden, hoe meer connecties zo’n soort heeft in het bodemecosysteem en dus hoe belangrijker die soort is voor de gemeenschap van bacteriën in de bodem. Dus zo’n web van lijntjes leert je op den duur welke de sleutelsoorten in de bodem zijn. Welke soorten zijn cruciaal voor het voorkomen van anderen? Als je die soorten leert kennen, kun je vervolgens gaan onderzoeken wat hun rol in het ecosysteem kan zijn. Hoe reageren ze bijvoorbeeld op onze ingrepen in de bodem? En zijn er misschien maatregelen te bedenken waarmee we juist die sleutelsoorten kunnen stimuleren of onderdrukken.”
Essentiële bacteriën voor plantengroei
Met behulp van een experiment in het laboratorium heeft een promovendus van Van Veen, Yan Yan, ook geprobeerd te achterhalen welke processen in de bodem essentieel zijn voor de groei van planten. “Zij begon met een gewoon bodemmonster”, vertelt Van Veen, “dat zij in oplossing bracht, en vervolgens wel tot een factor miljard ging verdunnen. Bij dat proces verlies je ongetwijfeld een hoop van de diversiteit die er van nature in zo’n bodemmonster zit. Verschillende van die verdunningen bracht ze vervolgens in gesteriliseerde grond in het laboratorium. Die grond werd dus weer vanaf nul bevolkt door de bacteriën die in de verschillende verdunningen waren achtergebleven. Keek ze vervolgens op welke van die herbevolkte bodems planten wilden groeien, dan vond ze een opvallend verschil. Uit de DNA-analyse van de bodems, bleek een heel duidelijk statistisch verband tussen goede plantengroei en de aanwezigheid van één specifieke groep van bacteriën: de Arthrobacters.”
Meer nog dan een statistisch verband met het geslacht Arthrobacter, vond Yan Yan een verband met de aanwezigheid van de genetische code voor bepaalde enzymen. Van Veen: “Planten blijken vooral te gedijen bij de aanwezigheid van enzymen die zorgen voor het transport van stoffen door membranen van cellen. Waarschijnlijk maakt het die planten helemaal niet eens zo veel uit in welke bacterie of welke schimmel die enzymen zitten, als de gezochte functie maar aanwezig is.”
De taxonomie van bacteriën
Al het leven op aarde is verdeeld in drie domeinen: eukaryoten (die een cel hebben met een kern), bacteriën en archaea, of ‘oerbacteriën’. Binnen de immens grote groep bacteriën zijn in eerste instantie 30 verschillende ‘stammen’ of ‘fyla’ geïdentificeerd, vergelijkbaar met de onderverdeling van het dierenrijk in de stammen van de ‘gewervelden’, of de ‘geleedpotigen’.
Van die 30 bacteriële fyla zijn één of meer soorten bekend en ook geïsoleerd. Er zijn vervolgens al minstens 35 nieuwe fyla ontdekt met behulp van DNA-analyses. Van die stammen is (nog) geen soort ooit geïsoleerd of gezien. De voorspelling is dat er misschien wel honderd of meer fyla van bacteriën bestaan. Dus naar de exacte diversiteit van het rijk van de bacteriën, laat staan van de waarschijnlijk duizenden en nog eens duizenden geslachten en soorten binnen die fyla, blijft het tot op de dag van vandaag gissen.
De taxonomie van bacteriën.
Sittrop Grafisch Realisatiebureau, Nijmegen
De verschillende fyla van bacteriën zijn niet op basis van hun uiterlijk te onderscheiden, zoals bij hogere organismen vaak wel kan. Er zijn maar enkele basale vormen bekend, waarvan de meest voorkomende de bolvorm (coccen), staafvorm (bacillen) en spiraalvorm zijn, naast een paar zeer ongebruikelijke vormen zoals een rechthoek.
Als je de herkenning van bacteriën zou moeten vertalen naar, zeg, de herkenning van dieren, dan kunnen microbiologen nog steeds hoog scoren in de wetenschappelijke pers met de constatering ‘dat er nu organismen zijn gevonden die in de lucht kunnen vliegen, maar wat dat zijn en wat ze doen, daar hebben we geen idee van’. Met de herkenning van de verschillende (groepen van) van die ‘microbiële vogels’ zijn de microbiologen voorlopig nog wel even zoet.