Concurrentie is de regel bij kweekbare microben.

                                

Breaking down the microbiology world one bite at a time


Concurrentie is de regel bij kweekbare microben.

Microben van één soort blijven in ecosystemen nooit alleen, maar leven samen en hebben interactie met vele andere soorten in hun leefomgeving. De studie van deze microbiele gemeenschappen is al tientallen jaren een groeiende onderzoeksrichting. De microob-netwerken worden vaak gevisualiseerd door netwerken met soorten als ‘nodes’ (cirkels) en interacties als ‘edges’ (lijnen). 

Microbiele interactie-netwerken kunnen vele vormen hebben. Zo zijn er ‘keystone’ soorten, die in het centrum van een netwerk zitten (links), ‘hub species’, die twee verschillende delen van het netwerk aan elkaar linken, en homogene netwerken waar alle soorten een interactie hebben met elkaar. Credits: Verima Pereira. Aangepast van Das, Pereira et al. (2017). Scientific Reports 7, 1-9. https://doi.org/10.1038/s41598-017-15510-6 under creative commons license http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

De grote vraag wanneer we kijken naar microbiele netwerken is: Werken de bacteriesoorten samen (cooperatie), of concurreren ze met elkaar (competitie)?

Voorbeelden van samenwerking in microben. Credits: Victor Mataigne, met vriendelijke toestemming van de auteur.

Beide interacties zijn al eens gezien door onderzoekers die microbiele gemeenschappen bestuderen. Samenwerking komt in verschillende vormen voor. Voorbeelden hiervan zijn ‘cross-feeding’, waarbij de ene microob de afvalstoffen van een ander kan gebruiken voor zijn eigen groei en vice versa; of biofilms, waarin de gemeenschap een slijmlaagje maakt om de cellen te beschermen tegen roofzuchtige organismen of verstoringen van buitenaf. Concurrentie komt meestal voor in de vorm van een ‘strijd’ om een bepaalde grondstof die nodig is voor de overleving van twee (of meer) soorten. Ook kunnen er antibiotica geproduceerd worden om de andere soorten uit te schakelen. 

Foster en Bell geven in hun artikel een eerste inzicht in de eerdergenoemde vraag. Omdat maar een klein deel van de microben uit de natuur kunnen groeien in het lab met de huidige technieken (voor voorbeelden, zie hier en hier) konden ze zich alleen op deze microben focussen. 

Eerst isoleerden ze bacterien uit een waterpoel bij beukenbomen: Een plek waar regenwater ophoopt in natuurlijk gevormde kuilen van de boom. Een perfecte plek voor bacterien om te groeien. Vervolgens hebben ze twee experimenten uitgevoerd met 72 (Exp 1) en 32 soorten (Exp 2), waarbij ze keken naar de productiviteit van de resulterende gemeenschappen. De experimenten resulteren in 386 bacterie-mengsels voor Exp1 en 480 voor Exp2 (monoculturen inbegrepen, om te vergelijken met de mengsels). Ze onderzochten de productiviteit van de gemeenschappen door de CO2 te meten: Des te meer CO2 wordt geproduceerd, productiever de gemeenschap is.

Een beukenboom met een poel van regenwater. Credits: Wikicommons

De onderzoekers ontdekten dat de overgrote meerderheid van de paarsgewijze interacties (interacties tussen twee soorten), in beide experimenten competitief was. Slechts een kleine minderheid was coöperatief, en de meeste daarvan gingen gepaard met een kleine toename van de productiviteit. Bovendien was de samenwerking meestal alleen voordelig voor één microbe, en was dit zelden wederzijds. De gemeenschappen met meerdere soorten presteerden over het algemeen beter dan het gemiddelde van de monoculturen, maar dit suggereert alleen dat de concurrentie tussen verschillende soorten minder sterk is dan de concurrentie tussen verschillende individuen van dezelfde soort. Uiteindelijk vonden de auteurs geen bewijs voor het bestaan van positieve interacties in gemeenschappen die meer dan twee soorten bevatten (wat “hogere-orde-interacties” worden genoemd in studies van microbiële gemeenschappen).

Interactions assessed by the measure of
productivity. Adapted from Foster & Bell, 2012.

Op basis van gegevens die zijn verkregen uit monoculturen werd voorspeld dat samenwerking de productiviteit verhoogt, en dat die samenwerking zal toenemen als meer soorten aan de mix worden toegevoegd (hier weergegeven door de rode lijn). Tijdens de experimenten zagen de onderzoekers echter geen toename van de productiviteit, wat tot de conclusie leidde dat er geen samenwerking was tussen de verschillende soorten (zwarte lijn).

Deze resultaten zijn verrassend omdat we mogen verwachten dat bacteriën in de natuur meer belang hebben bij samenwerking om te overleven dan concurrentie. Waarom hebben zij niet méér positieve interacties waargenomen? Foster en Bell voerden twee argumenten aan. Ten eerste kunnen microben met elkaar concurreren om hulpbronnen: voedsel kan schaars zijn in het milieu, en microben hebben niet noodzakelijk een breed scala aan eetbare componenten in hun dieet. Ten tweede zijn microbiële ecosystemen in de natuur heel divers in vergelijking met dierlijke of plantaardige ecosystemen wat betreft de temperatuur, druk, licht, enzovoort. In zulke omgevingen hebben zij misschien helemaal niet de mogelijkheid om te kunnen samenwerken.

Foster en Bell concludeerden dat als interacties met andere soorten vluchtig en onbetrouwbaar zijn, er weinig belangstelling (en mogelijk hoge kosten) zal zijn voor het investeren van tijd en middelen om op korte of lange termijn samen te werken met andere soorten. Dat zou de verklaring kunnen zijn voor de negatieve interacties die in deze studie zijn gevonden, maar microbiologen zullen meer studies nodig hebben om deze resultaten te bevestigen en na te gaan of zij ook in de natuur worden waargenomen, buiten de meer gecontroleerde omgeving van een laboratorium.


Link to the original post: Foster, K. R., & Bell, T. (2012). Competition, not cooperation, dominates interactions among culturable microbial species. Current biology22(19), 1845-1850.

Featured image: Alice van Helden (personal work, 19-08-2021), with kind permission from the author.