Je leest:

Van kweken naar moleculaire analyse

Van kweken naar moleculaire analyse

Auteur: | 12 december 2016

‘Alles is overal, maar het milieu selecteert’ is een beroemde uitspraak van de Nederlandse microbioloog Baas Becking die werd geïnspireerd door Martinus Beijerinck. De diversiteit aan omstandigheden waaronder micro-organismen kunnen leven is zo gigantisch dat je ze inderdaad overal op aarde tegenkomt.

Onze darm is een walhalla van micro-organismen en sinds de ontdekking van de darmbacterie Escherichia coli eind 19de eeuw zijn ongeveer duizend verschillende soorten micro-organismen, met name bacteriën, uit de darm geïsoleerd en beschreven. Dit heeft ons ongekend veel inzichten gegeven in de diversiteit aan micro-organismen die we in onze darm hebben en hoe ze leven. Zo is een grote ontdekking geweest dat meer dan 90% van onze darmbacteriën strikt anaeroob is, wat betekent dat zuurstof dodelijk voor ze is. Dit is iets wat je op het eerste gezicht niet zou verwachten omdat onze darm zelf niet zonder zuurstof kan leven.

Ondanks dat we gedurende meer dan 100 jaar heel veel bacteriën geïsoleerd en bestudeerd hebben, is nog steeds de overgrote meerderheid van de darmbacteriën (~80%) nooit in het laboratorium gekweekt. Vandaar dat sinds deze ontdekking in de jaren 80 van de vorige eeuw methoden zijn ontwikkeld om inzicht te krijgen in deze onbekende meerderheid. Hierbij maakt men gebruik van genetische markers, RNA- of DNA-fragmenten die iets specifieks vertellen over de betreffende bacterie.

Bacteriën identificeren met 16S rRNA

Voor de identificatie van bacteriën maakt men bijvoorbeeld gebruik van het gen dat codeert voor het 16S ribosomaal RNA (rRNA). Het 16S rRNA is onderdeel van de ribosomen, de eiwitfabriekjes van een bacteriecel, en is net zo uniek voor een bacteriesoort als een vingerafdruk voor ons. Iedere bacteriesoort is dus te identificeren aan de hand van de nucleotidevolgorde van het 16S rRNA-gen. Omdat je DNA van alle bacteriën gezamenlijk, en dus ook de daarop liggende 16S rRNA-genen kunt isoleren uit ontlasting, kun je bacteriën identificeren die nooit gekweekt zijn.

Deze revolutionaire ontdekking in de microbiologie heeft ervoor gezorgd dat in principe alle bacteriën te identificeren en te kwantificeren zijn zonder ze te hoeven kweken. Het is zelfs mogelijk om met specifieke stukjes fluorescerend DNA de ribosomen in een bacteriecel fluorescerend te maken, waardoor de cellen zichtbaar worden onder een fluorescentiemicroscoop en we kunnen waarnemen hoe een niet gekweekte bacteriesoort eruit ziet.

Het kweken en isoleren van bacteriën op selectieve voedingsbodems was vroeger de manier om ze te identificeren.
Shutterstock

De meest toegepaste techniek om de bacteriesamenstelling in de darm te bestuderen is DNA te isoleren uit ontlasting en vervolgens random de nucleotidevolgorde (sequenties) van fragmenten van het 16S rRNA-genen te bepalen. Hierbij wordt in principe iedere darmbacterie gerepresenteerd door een stukje 16S rRNA-gen. Grote ontdekkingen op basis van dergelijke 16S rRNA-genstudies zijn bijvoorbeeld dat iedereen een unieke samenstelling van darmbacteriën heeft en dat mensen met darmaandoeningen een andere darmbacteriesamenstelling hebben dan gezonde mensen. Door het feit dat de techniek om dit te doen, het sequencen, zich sinds begin deze eeuw zo snel ontwikkeld heeft, is het vandaag de dag mogelijk om per analyse miljoenen 16S rRNA-gensequenties te krijgen.

Wat vroeger jaren kostte, kan nu in principe in één dag gedaan worden. Bovendien zijn deze sequentietechnieken dusdanig goedkoop geworden dat dit momenteel ook commerciële toepassingen heeft. Wie bijvoorbeeld geïnteresseerd is in zijn of haar eigen darmbacteriesamenstelling, kan dit in principe door een gespecialiseerd bedrijf laten bepalen. Uiteraard moet je er dan wel rekening mee houden dat voor de interpretatie van je darmbacteriesamenstelling microbiologische kennis nodig is.

Kijken naar bacteriële activiteiten

Naast specifiek het 16S rRNA-gen te bestuderen, is het ook mogelijk om random stukjes DNA te sequencen. Dit wordt metagenomics genoemd. Hoewel metagenomics oorspronkelijk is ontwikkeld om genen te vinden die coderen voor nieuwe enzymfuncties, wordt de techniek vooral gebruikt om een blauwdruk te krijgen van alle functies die door de darmbacteriën uitgevoerd kunnen worden. Uit dergelijke studies is bijvoorbeeld gebleken dat de darmbacteriën inderdaad allerlei omzettingen van voedsel kunnen uitvoeren die we als mens zelf niet kunnen. Naast DNA is ook boodschapper-RNA uit ontlasting te isoleren en vervolgens op dezelfde manier als bij metagenomics te sequencen.

Omdat dit RNA een genetische informatiedrager van actieve cellen is, boodschapper-RNA wordt uiteindelijk omgezet in actieve enzymen, zien we wat al die darmbacteriën op dat moment aan het doen zijn. Dit heet metatranscriptomics. Hieruit is onder andere gebleken dat bacteriën in de dunne darm anders leven dan bacteriën in de dikke darm. Naast DNA en RNA kunnen ook eiwitten of metabolieten uit ontlasting worden geïsoleerd. Ook deze componenten zeggen iets over de activiteit van darmbacteriën.

Door alle bovengenoemde technieken te combineren, kan in principe een reconstructie gemaakt worden van wat alle darmbacteriën kunnen doen en van wat ze op een bepaald moment aan het doen zijn. Dit biedt onderzoekers ongekende mogelijkheden. Bijvoorbeeld de invloed bepalen van vezels of andere voedingscomponenten op darmbacteriën, of het effect van medicijnen of andere stoffen die we via onze darm binnenkrijgen. In principe is het mogelijk om te bepalen welke bacterie door een bepaald component bevoordeeld of benadeeld wordt en hoe deze bacterie daarmee omgaat. Dit geeft inzicht in hoe de samenwerking tussen ons en onze darmbacteriën bijdraagt aan onze gezondheid en hoe dit met voeding of andere wijzigingen in leefpatroon te beïnvloeden is. Het zijn gouden tijden voor microbiologen!

Dit artikel is een publicatie van Stichting Biowetenschappen en Maatschappij.
© Stichting Biowetenschappen en Maatschappij, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 december 2016

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.