Dat er in ons lichaam en op onze huid ontzettend veel micro-organismen – en dan met name bacteriën – leven is voor de meeste mensen geen nieuws. Maar wist je ook dat cellen van micro-organismen in ons lichaam sterker vertegenwoordigd zijn dan menselijke cellen? Voor elke menselijke cel zijn er maar liefst tien cellen met een bacteriële oorsprong. En die bacteriën zitten daar natuurlijk niet zomaar. Ze beïnvloeden allerlei processen in het lichaam en bepalen zo voor een belangrijk deel hoe ons lichaam functioneert, en of we gezond blijven of ziek worden. Door precies in kaart te brengen welke micro-organismen er in ons lichaam voorkomen en wat ze daar uitspoken, hopen wetenschappers de bacteriën te ontdekken die een belangrijke rol spelen bij ziekten. Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Veel bacteriën laten zich in het laboratorium lastig kweken, en zijn daardoor niet goed te onderzoeken.
Streepjescode
Moderne DNA-technologie heeft dat probleem grotendeels opgelost. Inmiddels is het mogelijk bacteriën te identificeren en hun genen te ontrafelen zonder dat ze eerst gekweekt hoeven te worden. Dat kan bijvoorbeeld door specifiek te kijken naar het gen ‘16S’ van ribosomaal RNA. Dat gen komt voor bij alle bacteriën, maar is afwezig in menselijke cellen. Vind je een stukje genetisch materiaal met het gen 16S? Dan weet je dus zeker dat het een bacteriële oorsprong heeft. Bovendien ziet het gen er bij verschillende bacteriën steeds net iets anders uit. 16S dient dan ook als een soort streepjescode waarmee het mogelijk wordt verschillende bacteriesoorten van elkaar te onderscheiden.
Eind 2007 gaf de Amerikaanse gezondheidsorganisatie, de National Institutes of Health, een consortium van meer dan tweehonderd wetenschappers opdracht om met behulp van zulke DNA-technologie het complete menselijke microbioom in kaart te brengen.
In dit Human Microbiome Project namen de wetenschappers DNA-monsters van 242 gezonde Amerikanen; 129 mannen en 113 vrouwen. In een periode van bijna twee jaar werd het DNA van de huid, de luchtwegen, het spijsverteringsstelsel, de mondholte en de vagina – die laatste uiteraard alleen bij vrouwen – drie keer onder de loep genomen.
Het resultaat was een dataset van ruim 11.000 DNA-monsters. In ongeveer de helft van die monsters is het genetische materiaal van bacteriële oorsprong eruit gevist door te kijken naar het gen 16S van ribosomaal RNA.
Op basis daarvan concluderen de wetenschappers allereerst dat de diversiteit aan micro-organismen tussen de locaties sterk verschilt. In het spijsverteringsstelsel wonen bijvoorbeeld veel meer verschillende bacteriesoorten dan in de vagina: 4000 soorten tegenover 300 in de vagina. Van zo’n grote diversiteit tussen verschillende locaties kijkt niemand echt op, maar binnen eenzelfde locatie kan het microbioom van mens tot mens ook sterk verschillen. We nemen het spijsverteringsstelsel weer als voorbeeld. De ene persoon kan een darmflora hebben die voor 90 procent bestaat uit bacteriën die bij de andere persoon zo goed als afwezig zijn. Toch zijn beide personen kerngezond. Dat komt doordat verschillende bacteriesoorten in de darmen dezelfde functies kunnen vervullen.
Most-wanted
Bij een klein deel van de verzamelde monsters ging het onderzoek van de wetenschappers nog een stapje verder. Op basis van het eerder geïdentificeerde bacteriële genetische materiaal ontrafelden zij de complete DNA-volgorde (het genoom) van alle aanwezige micro-organismen. Naar schatting bevat het genoom van alle micro-organismen samen ongeveer acht miljoen coderende genen. Dat is 360 keer zoveel als ons complete genoom dat ‘maar’ 22.000 coderende genen bevat.
Van een aantal veelvoorkomende bacteriën, zoals de bekende darmbacterie Escherichia coli, is het genoom al eerder in kaart gebracht. De wetenschappers gebruikten zulke genomen als referentie bij het doorzoeken van de complete DNA-volgorde van het microbioom. Stuitten zij op stukjes DNA die ook voorkomen in het genoom van E. coli, dan wisten zij dus dat ze met die bacterie – of een soort die daar erg op lijkt – te maken hadden. Ondanks het gebruik van referentie-genomen kwamen de wetenschappers toch nog stukken DNA tegen die werkelijk nergens op leken en dus afkomstig zouden kunnen zijn van een nieuwe bacteriesoort.
Ze stelden een ‘most-wanted’-lijst op waarop mogelijk nieuwe bacteriesoorten werden bijgeschreven als deze in tenminste 20 procent van de verzamelde monsters terug te vinden waren. Op die lijst staan inmiddels 119 micro-organismen. Nu het grove werk van het microbioom-project achter de rug is, openen de wetenschappers de jacht op deze most-wanted-microben zodat ze verder onderzocht kunnen worden.
Vriend of vijand
Daarnaast zal het project zich vooral gaan richten op de relatie tussen veelvoorkomende micro-organismen en hun gastheer. Welke bacteriën zijn onze vriend en welke onze vijand? Dat lijkt een eenvoudige vraag, maar in sommige gevallen is het antwoord toch niet zo simpel. Neem de bacterie Staphylococcus aureus. Die bacterie komt bij ongeveer 30 procent van de gezonde mensen voor in de neusholte en doet daar meestal weinig kwaad. Maar de bacterie kan resistent worden tegen antibiotica.
De resistente variant van Staphylococcus aureus kennen we goed als MRSA (meticilline-resistente Staphylococcus aureus) en is vooral gevaarlijk voor mensen met een verzwakt afweersysteem. De wetenschappers willen aan de hand van het microbioom graag uitzoeken wat vrij onschuldige bacteriën zoals Staphylococcus aureus het duwtje geeft om zich te ontwikkelen tot gevaarlijke ziekteverwekkers.
Wellicht heeft de samenstelling van het microbioom daar wel iets mee te maken. Je zou je kunnen voorstellen dat iemand die niet zoveel ‘goede’ bacteriën in zijn luchtwegen heeft vatbaarder is voor een MRSA-infectie dan iemand die een hoop gunstige bacteriën bij zich draagt. De wetenschappers zagen al dat een verandering in de samenstelling van micro-organismen in de darmen invloed heeft op de ontwikkeling van de ziekte van Crohn, een chronische darmontstekingsziekte.
En verandert er iets in de samenstelling van bacteriën op de huid, dan kan dat leiden tot de huidziekte psoriasis. Welke veranderingen in samenstelling er precies optreden en of het mogelijk is die veranderingen tegen te gaan door gunstige bacteriën aan het microbioom toe te voegen, dat zijn zaken die nog verder onderzocht moeten worden.
Momentopname
Klinkt allemaal heel mooi, maar het onderzoek aan het microbioom heeft toch nog zo zijn beperkingen. Ten eerste zijn in het huidige onderzoek alleen DNA-monsters genomen bij volwassen Amerikanen. Westerlingen hebben wel ongeveer dezelfde leefstijl als Amerikanen en in dat geval zal de samenstelling van het microbioom nog aardig overeen komen. Maar de vraag is hoe representatief dit ontrafelde microbioom is voor mensen in ontwikkelingslanden. Die leven onder hele andere omstandigheden en dragen dus waarschijnlijk ook hele andere micro-organismen met zich mee.
Daar komt bij dat de genomen monsters slechts een momentopname zijn. De samenstelling van het microbioom van een persoon kan van jaar tot jaar en zelfs van dag tot dag variëren. En aangezien verschillende bacteriesoorten dezelfde functies kunnen vervullen, wordt het nog een hele kluif om uit te zoeken wat een gezond microbioom nou echt onderscheidt van een ‘slecht’ microbioom.
Bronnen:
- David Relman, Microbiology: Learning about who we are, Nature (14 juni 2012)
- Curtis Huttenhower e.a., Structure, function and diversity of the healthy human microbiome, Nature (14 juni 2012)
- Barbara Methé e.a., A framework for human microbiome research, Nature (14 juni 2012)
- www.ploscollections.org
Zie ook:
- Officiële website van het Human Microbiome Project
- Mens kent drie darmflora-typen (Kennislinkartikel)
- Bacteriële genomen: ringen van leven ontrafelen (Natuurwetenschap & Techniek)
- DNA in je drol (Kennislinkartikel)
- Darmbacterie beschermt tegen diabetes (Kennislinkartikel)
- Antibiotica en onze maag- en darmflora (Kennislinkartikel)