Samenlevende micro-organismen: geheel is meer dan de som van alle delen
Gemeenschappen van micro-organismen zijn veelgebruikte leveranciers in de biotechnologie van processen zoals de productie van biobrandstoffen en nieuwe voedingsmiddelen, of om gewassen beter te laten groeien. Om succesvolle gemeenschappen te ontwikkelen, moeten wetenschappers kunnen voorspellen of micro-organismen samen kunnen leven en werken. Een populaire voorspellende regel stelt dat als een tweetal microben samen kunnen leven, ze dat ook zullen doen in een grotere microbengemeenschap. Uit een onderzoek gepubliceerd in Science is nu gebleken dat deze eenvoudige regel niet altijd juist is.
Net als planten en dieren leven micro-organismen in complexe ecologische gemeenschappen die bestaan uit meerdere samenlevende soorten. Deze gemeenschappen zijn overal op aarde te vinden en ze spelen ook een groeiende en veelbelovende rol in de biotechnologie. Microbiële gemeenschappen worden ontworpen voor de productie van biobrandstoffen en andere essentiële producten in bio-raffinaderijen, om nieuwe voedingsmiddelen te creëren of om gewassen beter te laten groeien. Leren hoe je deze gemeenschappen kunt ontwikkelen om de diensten die ze leveren te verbeteren is dus een belangrijk doel in de biotechnologie.
Een van de grootste obstakels bij het ontwerpen van microbiële gemeenschappen is dat niet alle micro-organismen met elkaar samen kunnen leven. Zelfs als het ons lukt om een veelbelovende microbiële gemeenschap te ontwerpen, is het heel waarschijnlijk dat veel van de leden zullen uitsterven. Daarom proberen wetenschappers manieren te vinden om te voorspellen of soorten naast elkaar kunnen bestaan.
We proberen de verbluffende diversiteit te begrijpen die we zien in bacteriegemeenschappen. Hoe kunnen zoveel soorten erin slagen samen te overleven binnen dezelfde gemeenschap?
Djordje Bajić, Assistant Professor Industriële Microbiologie
Een eenvoudige regel
Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, Centro Nacional de Biotecnología van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC), TU Delft en Yale University bestudeerden hoe je coëxistentie van bacterien in complexe gemeenschappen kunt voorspellen. In dit artikel van Chang et al. onderzochten de auteurs een populaire hypothese: Wanneer meerdere soorten (bijvoorbeeld A, B en C) samen kunnen overleven als een gemeenschap, moet elk tweetal soorten ook kunnen overleven als een geïsoleerd paar. A moet dus samen met B kunnen overleven, net als B met C en C met A. Deze hypothese heeft de afgelopen jaren steeds meer terrein gewonnen. De aanname is erg aanlokkelijk omdat het, als het over het algemeen klopt, een eenvoudige en praktische manier biedt om coëxistentie in complexe microbiële gemeenschappen te voorspellen.
Om deze hypothese te testen, besloten de auteurs twaalf verschillende microbiële gemeenschappen uit elkaar te halen waarin tussen de drie en tien soorten naast elkaar leven. Ze vergeleken vervolgens alle mogelijke paren van micro-organismen en ontdekten dat, in tegenstelling tot de bovenstaande hypothese, de meeste tweetallen niet overleefden. Met andere woorden: de eenvoudige regel om coëxistentie te voorspellen werkt niet altijd, wat aangeeft dat bij coëxistentie het geheel vaak meer is dan de som van de afzonderlijke delen.
Nieuwe voorspellende handvatten
Het artikel van Chang benadrukt dat het belangrijke probleem om te voorspellen welke microben samen kunnen leven nog niet is opgelost, wat de noodzaak onderstreept om nieuwe voorspellende handvatten te ontwikkelen. Hoewel dit als slecht nieuws kan klinken, betekent het in feite een enorme sprong voorwaarts, door vast te stellen dat in microbiële gemeenschappen het geheel veel meer is dan de som van de onderdelen. Dit principe zal ons helpen om nieuwe modellen te bouwen die ons uiteindelijk kunnen helpen om microbiële gemeenschappen te bouwen.
"We proberen de verbluffende diversiteit te begrijpen die we zien in bacteriegemeenschappen", zegt Djordje Bajić, Assistant Professor Industriële Microbiologie. "Hoe kunnen zoveel soorten erin slagen samen te overleven binnen dezelfde gemeenschap?" Begrijpen hoe bacteriën samen overleven is belangrijk voor een beter begrip van onze wereld, aangezien microbiële gemeenschappen bijna elk oppervlak op onze planeet koloniseren, legt Bajić uit: "Ze spelen een rol in de wereldwijde kringloop van elementen en zijn essentieel voor de gezondheid van ons eigen microbioom in de darmen. Dit onderzoek zal zeker invloed hebben op ons begrip van microbiële gemeenschappen en het microbioom. En het zal ook bijdragen aan de ontwikkeling van modellen en technologieën om microbiomen te ontwerpen en bestaande microbiomen in de gewenste richting te sturen in veel toepassingen: bijvoorbeeld in de gezondheidszorg, afvalwaterzuivering, productie van duurzame biopesticiden en biomeststoffen op basis van microben."
Het feest van de bacteriën
Je kunt dit onderzoek zien alsof je op een feestje bent, waar je veel mensen leuk vindt, maar veel andere mensen niet. Het idee is dat je iedereen op het feest leuk moet vinden om het naar je zin te hebben. Dit hoeft natuurlijk niet het geval te zijn. Je kunt de mensen die je niet leuk vindt gewoon negeren en ervoor kiezen om de hele avond met andere mensen te praten. Je kunt zelfs deelnemen aan gesprekken met mensen waar je minder dol op bent en toch een leuke tijd hebben, zolang andere mensen ook deelnemen aan deze gesprekken.
