Je leest:

’You’ll never walk alone’

’You’ll never walk alone’

De co-evolutie tussen micro-organismen en eukaryoten

Auteur: | 12 december 2016

Eukaryoten zijn geen zelfstandige wezens maar onderdeel van een complex samenwerkingsverband met bacteriën, en ze evolueren samen met hun microbioom als één superorganisme, ofwel een holobiont. Alhoewel dit concept nog onderwerp van debat is onder wetenschappers geeft het een interessante nieuwe kijk op de biologie.

Weinig mensen beseffen dat de alledaagse macroscopische verzameling levende wezens slechts een fractie is van al het leven op aarde. De overgrote meerderheid van de levende biomassa op aarde bestaat uit eencelligen die met het blote oog niet waarneembaar zijn. Bacteriën en archaea domineren de aarde en doen dit al sinds het allereerste ontstaan van leven. En ze zijn werkelijk overal, zelfs kilometers diep in de aardkorst, of hoog in de stratosfeer zijn ze nog te vinden. Ook in en op ieder dier en iedere plant leven astronomische aantallen bacteriën.

Deze alomtegenwoordige verspreiding van bacteriën is niet verwonderlijk als je de geschiedenis van de aarde bekijkt: nadat de aarde genoeg was afgekoeld om vloeibaar water te herbergen, ontstonden er al vrij snel bacteriën die zich spectaculair diversifieerden om alle beschikbare bronnen van energie in hun omgeving te kunnen benutten. Op sommige plekken op aarde is nog een indruk te krijgen van de enorme aantallen, bijvoorbeeld in de Picos de Europa in Noord-Spanje. Deze bergketen bestaat vrijwel geheel uit bacterieel gevormde kalkstenen.

Eukaryoten ontstaan uit bacteriële endosymbiose

Bacteriën worden vaak gezien als zelfstandig levende eencelligen, maar dit beeld is niet terecht: bacteriën communiceren enorm veel. Een groot aantal eigenschappen wordt door bacteriën bijvoorbeeld alleen tot expressie gebracht wanneer een bepaalde soort in grote aantallen aanwezig is. Een mooi voorbeeld is Vibrio fischeri (tegenwoordig Aliivibrio fischeri), een lichtgevende bacterie die alleen maar licht geeft wanneer de bacteriën in grote dichtheden aanwezig zijn. De vibriobacteriën regelen dit door een signaalmolecuul aan te maken dat ze uitscheiden in hun omgeving. Boven een bepaalde drempelconcentratie, die pas wordt bereikt als er veel bacteriën in een klein volume aanwezig zijn, activeren alle vibriobacteriën tegelijkertijd de lichtgevende reactie.

Deze eigenschap speelt een belangrijke rol in de symbiose tussen de vibriobacteriën en bepaalde inktvissen. De bacteriën leven in het zogenaamde lichtorgaan aan het oppervlak van zo’n inktvis. De inktvis voorziet de bacteriën daar van suikers en aminozuren zodat ze goed kunnen groeien. Als tegenprestatie zorgt het licht gemaakt door de bacteriën ervoor dat het silhouet van de inktvis slecht te zien is wanneer je die van onderaf bekijkt tegen het licht van het zeeoppervlak. Zo ontkomt de inktvis aan zijn belagers. Een prachtige symbiose, waarbij beide deelnemers profiteren van de samenwerking.

De endosymbiosetheorie stelt dat de samenwerking tussen bacteriën nog veel verder ging doordat bacteriën of archaea binnen in een andere cel gingen leven, waardoor een intracellulaire symbiose ontstond. De theorie veronderstelt dat dit soort symbiose aan de basis staat van de moderne eukaryote cel en de daarin aanwezige organellen. Op basis van deze theorie ligt het dan ook voor de hand dat de eerste eencellige eukaryote organismen uitvoerig met hun bacteriële omgeving communiceerden, omdat hun communicatiesystemen eenzelfde evolutionaire oorsprong hadden.

De Picos de Europa in Noord-Spanje. Een bergketen die vrijwel geheel bestaat uit bacteriële kalkstenen.
Michiel Kleerebezem

Parallele en co-evolutie

Toen de eerste meercellige organismen een darm ontwikkelden, ontstond er een afgeschermde niche waar bacteriën in nauw contact met een meercellig eukaryoot konden leven. Het leven in zo’n darm was erg aantrekkelijk voor bacteriën, aangezien het gastheerorganisme deze niche continu met voedingsstoffen vulde. Door de concurrentie om deze niche ontstonden er bacteriesoorten die zich optimaal hadden aangepast aan een leven in de darm.

Die aanpassing is een nog steeds actueel proces. Een recente studie laat zien dat wij mensen veel bacteriële darmbewoners delen met onze nauwe verwanten, de mensapen. Deze bacteriesoorten zijn echter net als wij en onze verwanten uit elkaar gegroeid. Door de mate van verwantschap tussen deze bacteriën te bekijken, kan er zelfs vrij nauwkeurig worden bepaald wanneer de lijnen van de mens, de chimpansee, de gorilla en de bonobo zich hebben afgesplitst. Dit parallel ontwikkelen van soorten, in dit geval de primaat en zijn bacteriële darmmicrobioom, wordt co-speciering genoemd.

Inmiddels zijn er veel bewijzen gevonden dat gastheer en microbioom zich niet alleen parallel ontwikkelen, maar ook elkaars ontwikkeling beïnvloeden: een co-evolutionaire relatie. Zo is er in muizen aangetoond dat de ontwikkeling van het immuunsysteem verstoord verloopt in afwezigheid van een darmmicrobioom. Ook bij mensen zijn inmiddels veel correlaties gevonden tussen veranderingen in het microbioom en het ontstaan van ziekten.

Dit zijn allemaal indirecte aanwijzingen voor het bestaan van een co-evolutionaire relatie. Maar er zijn ook directe bewijzen. Het mooiste bewijs is gevonden in fruitvliegen waar genetisch identieke fruitvliegen werden gescheiden in compartimenten met ieder een specifieke voedingsbron. Door deze zeer verschillende voeding ontwikkelden ze beiden een verschillend darmmicrobioom. Vervolgens bleek dat al na één generatie de fruitvliegen nog vrijwel uitsluitend wilden paren met fruitvliegen die op dezelfde voedingsbron leefden en dus een vergelijkbaar darmmicrobioom hadden.

Na een antibioticabehandeling waardoor het microbioom grotendeels werd uitgeroeid, verdween de selectieve partnerkeuze volledig. Dit experiment is een fraaie demonstratie dat bacteriën in de darm een direct effect uitoefenen op de partnerkeuze, waardoor ze kunnen bijdragen aan het voortplantingsgedrag en dus aan de speciering van een soort.

Meer dan alleen je eigen genoom ?

Uit deze informatie begint zich een nieuw beeld te ontwikkelen: eukaryoten zijn geen zelfstandige wezens maar onderdeel van een complex samenwerkingsverband met bacteriën, en ze evolueren samen met hun microbioom als één superorganisme, ofwel een holobiont. Alhoewel dit concept nog onderwerp van debat is onder wetenschappers geeft het een interessante nieuwe kijk op de biologie.

Het eukaryote genoom is relatief inflexibel gedurende de levensduur van de holobiont, maar de microbiële component kan uitermate flexibel zijn en binnen de levensduur van de holobiont veranderingen ondergaan die kunnen worden overgedragen naar de volgende generatie van de holobiont. De mens als holobiont heeft dus niet alleen zijn of haar eigen humane genoom, maar ook een ‘tweede genoom’, namelijk het metagenoom van zijn of haar microbioom.

Een voorbeeld van de flexibiliteit van het microbioom is beschreven bij Japanners, die veel zeewier in hun dieet hebben. Zeewier is niet door mensen te verteren. De darmbacteriën van Japanners hebben echter genen verworven van zeebacteriën uit de kustwateren van Japan die deze zeewieren wel kunnen verteren. Deze ‘verbeterde’ darmbacterie kan zich vervolgens verspreiden naar andere individuen en de volgende generatie. De verwerving van nieuwe genen of bacteriën resulteert dus in een metabole aanpassing aan de lokale situatie die niet in het genoom van de gastheer verankerd is, maar overdraagbaar is via het microbiële metagenoom.

Op deze manier overstijgt de holobiont de klassieke mendeliaanse genetica, waarbij het eukaryote genoom van de holobiont volgens mendeliaanse overerving wordt doorgegeven aan de volgende generatie, maar waarbij het complementaire metagenoom van het microbioom zich kan aanpassen binnen de levensduur van de holobiont om vervolgens te worden overgedragen aan een volgende generatie, tijdens de geboorte of daarna.

De holobiont als biologische risicospreiding

De holobiont kan gezien worden als een vorm van biologische risicospreiding met een zeer stabiele, complexe kernstrategie aan de eukaryote kant van het systeem en een zeer adaptieve component aan de microbiële kant. Die microbiële component kan zich aanpassen aan externe veranderingen zoals een veranderende voedselbron, zoals in het voorbeeld van de zeewier verterende bacteriën in de darmen van Japanners. Dit proces treedt op door simpele selectie en competitie, immers die zeewier-verterende bacteriën hebben het prima naar hun zin in de darmen van die zeewier-etende Japanner omdat ze regelmatig gevoerd worden door hun gastheer.

Tegelijkertijd geeft het dynamische microbioom de gastheer toegang tot de genetische gereedschapskist die beschikbaar is in het collectieve microbiële genoom van het externe milieu, waardoor de holobiont meer flexibel en adaptief is dan zijn eukaryote component die als gastheer optreedt.

De belangrijke taak voor (micro)biologen is om het holobiontconcept verder te onderzoeken. Hoe universeel is het concept en hoe ver gaan de samenwerkingen? Het lijkt erop dat er op veel meer vlakken dan alleen voedselverwerking interactie is. Deze dingen kunnen we onderzoeken door het microbioom in proefdieren te veranderen of volledig weg te vagen. In mensen kunnen we al veel informatie krijgen door het microbioom in ziekte en gezondheid te bestuderen. Hiermee kunnen we niet alleen mogelijkheden ontdekken voor het genezen van mensen, maar kunnen we ook een licht laten schijnen over de fundamentele samenwerkingsverbanden tussen ons en ons microbioom.

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.