“Dat is lastig te zeggen, want niemand heeft ze één voor één geteld”, grapt Lucas Stal – microbioloog bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) – in antwoord op de vraag hoeveel bacteriën er eigenlijk in de zee leven. “De beste schattingen komen uit op ongeveer 1029, een 1 met 29 nullen. Het is natuurlijk lastig je daar een voorstelling van te maken. Er wordt daarom weleens gezegd dat er meer bacteriën in de oceaan zitten dan sterren in het universum. Ik zeg zelf altijd; er zitten ongeveer 1 miljoen bacteriën in een milliliter zeewater”.
Bacteriën leren kennen
Waarschijnlijk leven er enkele tientallen miljoenen soorten bacteriën op aarde, maar die kennen we nog lang niet allemaal. Stal: “Op dit moment zijn er in totaal zo’n 10.000 soorten bacteriën beschreven. Van de rest weten we niks. Maar we weten wel dat als we een stamboom van het leven maken, gebaseerd op DNA, dat we de grootste genetische diversiteit terugvinden bij de bacteriën. Dat wijst erop dat bacteriën allerlei nieuwe eigenschappen hebben. Misschien kunnen ze wel medicijnen of andere nuttige producten voor ons produceren. Maar om daar achter te komen, moeten we de bacteriën eerst leren kennen. En dat is één van de redenen dat het onderzoeksproject Macumba in het leven is geroepen.”
Zowel het NIOZ als andere instituten binnen het consortium bezitten oceaanonderzoeksschepen die regelmatig uitvaren voor allerlei onderzoek op zee. Die onderzoeksschepen zullen in de komende jaren ook monsters meebrengen voor het Macumba-project. Dat kan een schep zeewater zijn, maar ook een bodemmonster of een monster uit een onderzeese vulkaan of uit een zoutmeer. “In de meeste gevallen maken we gebruik van geplande vaartochten”, legt Stal uit. “In het consortium zitten verschillende onderzoeksgroepen die allemaal hun eigen interesse hebben. Zo is er bijvoorbeeld een groep die uitsluitend kijkt naar bacteriën die fotosynthese kunnen gebruiken, een groep die alleen maar op zoek is naar archaea en mijn eigen groep doet onderzoek naar microbiële matten – ecosystemen waarin behalve cyanobacteriën een enorme verscheidenheid aan andere bacteriën leven.”
Laserpincet
“Al die verschillende onderzoeksgroepen weten van tevoren welke schepen uit gaan varen en waar ze naar toe gaan. Zij kunnen dan aanmelden dat ze een monster van een bepaalde plek willen hebben. Dat monster wordt dan verzameld, koud of ingevroren bewaard en vervolgens verder onderzocht in het laboratorium.” Daar worden de bacteriën eerst op grote schaal gesorteerd en geïsoleerd. Het isoleren van nieuwe bacteriën is nog niet zo’n makkelijk klusje. Bij de klassieke methode van isolatie wordt een deel van het monster aangebracht op een plaat met voedingsmedium. Dat voedingsmedium bevat bepaalde stoffen waarop een aantal bacteriën erg goed kunnen groeien. Die zul je dus steeds isoleren. Maar in een monster zitten waarschijnlijk wel duizend soorten bacteriën. Hoe krijg je de rest dan te pakken?
Stal: ”Een tweede methode van isolatie is verdunning tot extinctie. Daarbij verdun je het monster met zeewater zo ver dat er nog maar een tot vijf bacteriecellen inzitten. Op die manier krijg je niet steeds dezelfde soorten, maar je krijgt wel alleen de bacteriën die dominant zijn in dat monster want de rest verdun je uit.” Nog steeds geen ideale aanpak dus.
“In het Macumba-project wordt het ook mogelijk om bacteriën te isoleren met behulp van laser”, gaat Stal verder. “Dat werkt als volgt: je bekijkt een monster onder de microscoop en bepaalt op basis van uiterlijke kenmerken (bijvoorbeeld kleur, vorm of grootte) welk organisme interessant is om te isoleren. De laserstralen werken als de punten van een pincet en op die manier kun je de bacterie van interesse vasthouden. Als je de pincet verschuift, gaat de bacterie mee en kun je deze dus ergens heen brengen. Bijvoorbeeld naar een welletje om verder te groeien.” Met behulp van de laser is het mogelijk om juist die bacteriën uit het monster te halen die bij uitplaten en verdunnen tot extinctie steeds het loodje leggen.
Communicerende bacteriën
Als het is gelukt nieuwe bacteriën te isoleren, is de volgende stap het kweken van deze bacteriën. Er bestaat een dogma binnen de microbiologie dat slechts één procent van de bacteriën in het laboratorium valt te kweken. Volgens Stal is dit grote onzin. “We kunnen een heleboel bacteriën op dit moment niet kweken, omdat we geen idee hebben hoe we ze kunnen kweken. Bepaalde bacteriën kun je wellicht nooit in geïsoleerde toestand kweken, omdat zij in de zee ook met andere micro-organismen samenleven. Bacteriën communiceren namelijk volop met elkaar en vangen elkaars signalen op. Als een bacterie op een bepaalde plaats signaalstoffen aantreft van zijn ‘partner’ kan hij besluiten daar ook te gaan groeien. Daarom willen we de signaalstoffen die een belangrijke rol spelen bij de communicatie identificeren en deze gebruiken om bacteriën om de tuin te leiden, zodat ze toch gaan groeien."
Lukt het eenmaal om nieuwe bacteriën te kweken, dan kunnen deze onderzocht worden en gescreend op allerlei bijzondere eigenschappen. Binnen het consortium zijn een aantal bedrijven actief die interesse hebben in zulke bijzondere eigenschappen en eventuele toepassingen daarvan in de markt kunnen zetten. Zo is er een bedrijf dat met name geïnteresseerd is in de medicinale werking van bacteriële stoffen. Er zijn al aanwijzingen dat bepaalde bacteriële producten een werking hebben tegen kanker. Verder is er een bedrijf dat met name op zoek is naar nieuwe, natuurlijke polysachariden. Zulke polysachariden hebben tal van toepassingen. Er kunnen bijvoorbeeld biologische afbreekbare plastics van gemaakt worden, of zoetstoffen of voedingssupplementen.
Kweekbaarheid verbeteren
De vondst van een nieuwe, nuttige bacteriële stof zal geen toevalstreffer zijn, meent Stal. “We gaan ervan uit dat als we duizenden tot tienduizenden bacteriën gaan proberen te kweken er wel een stuk of duizend tussen zitten met interessante eigenschappen.” Dat zijn er redelijk wat, maar toch is het vinden van toepassingen voor de onderzoekers geen hoofdthema. “Om een toepassing te ontwikkelen is het niet voldoende om bacteriën te isoleren en deze op kleine schaal te kweken”, legt Stal uit. “Voor bacteriën die interessant zijn voor toepassingen zullen we dus de kweekbaarheid moeten verbeteren, zodat je uiteindelijk grote hoeveelheden van de gewenste bacterie krijgt. Dat zal lang niet altijd makkelijk zijn."
De komende vier jaar zijn dan ook vooral gericht op het ontwikkelen van methoden en het in kweek brengen van vele verschillende soorten nieuwe bacteriën. Toepassingen volgen op den duur wellicht als vanzelf.