Hoe oude microben de toekomst van de wetenschap kunnen veranderen.

                                

Breaking down the microbiology world one bite at a time


Hoe oude microben de toekomst van de wetenschap kunnen veranderen.

Het Human Microbiome Project, gelanceerd in 2017, was een onderzoeksinitiatief om de rol van microben in het menselijk lichaam beter te begrijpen. Dit project veranderde de manier waarop mensen tegen micro-organismen aankijken drastisch, met bakkenvol gegenereerde data en fascinerende ontdekkingen. Technologische vooruitgang op het gebied van moleculaire biologie en genetica stelde microbiologen in staat microbieel DNA-materiaal te sequencen en te amplificeren, levensbomen te construeren en zelfs de kleinste genen in een cel te bestuderen. Wetenschappers waren niet alleen in staat pathogene eigenschappen van micro-organismen te herontdekken, maar ook de potentiële voordelen te onderzoeken die de bacterien kunnen leveren door samen te leven met de mens. 

Tegenwoordig, in 2021, zijn microben en mensen “vrienden” in plaats van “vijanden”. De samenleving is zich bewust van de geweldige dingen die micro-organismen doen. “Neem probiotica voor een betere spijsvertering!”, “Eet meer gefermenteerd voedsel om je gezondheid te verbeteren!”, “Microben stimuleren ons immuunsysteem, beschermen tegen ziekten, en houden ons gelukkig!”. De lijst gaat maar door, en al deze dingen zijn absoluut correct. Micro-organismen staan inderdaad voortdurend in dienst van de mens. Wetenschappers kijken met spanning naar de toekomst, klaar om meer bewijzen te leveren voor een goede relatie tussen mensen en microben. 

Steeds meer onderzoekers vinden dat het niet alleen belangrijk is om de gunstige eigenschappen van microben te onderzoeken, maar ook terug te gaan in de tijd en oude micro-organismen te bestuderen. De studie van uitgestorven micro-organismen heet paleomicrobiologie, en kan informatie geven over de evolutie van micro-organismen, oude ziekten, culturele gewoonten en belangrijke historische gebeurtenissen. 

Maar hoe en waar kunnen we deze prehistorische microben vinden? Het gaat om duizenden jaren oude soorten! Het blijkt dat er verschillende natuurlijke omgevingen/structuren zijn die als bronnen van oeroude micro-organismen dienen: 

  1. Extreme omgevingen, zoals permafrost;
  2. Barnsteen;
  3. Tandsteen;
  4. Coprolieten.

Extreme omgevingen 
Extreme omgevingen, zoals permafrost of fossiel ijs, bevorderen het behoud van oude microben en hun DNA. De reden is heel eenvoudig: organismen die in deze omstandigheden leven, beschikken over zeer unieke overlevingsmechanismen die cellen in staat stellen om een soort “winterslaap” te doen, een toestand waarin de normale biologische functies worden opgeschort of vertraagd. Bovendien zijn deze omgevingen zelden aan verandering onderhevig. Een van de meest recente voorbeelden is een geactiveerd virus (Pithovirus sibericum) die 30.000 jaar in de Siberische permafrost vast zat. Dit is het oudste geïsoleerde virus dat eukaryoten infecteert en kan ondanks zijn extreem lange winterslaap nog steeds infecteren! Door het bestuderen van de microbiële gemeenschappen in oude permafrost zullen we meer leren over  de eiwitten en technieken die deze microben gebruiken om te overleven.

30,000-jaar oud virus Pithovirus sibericum. De afbeelding is afkomstig uit het orginele artikel van Legendre et al. 

Barnsteen
Barnsteen is gefossiliseerde boomhars. De lage hoeveelheid water en de overvloed aan natuurlijke suikers vormen een perfecte omgeving voor het bewaren van oude bacteriesoorten. Veel bacteriën die uit barnsteen zijn geïsoleerd behoren tot het geslacht Bacillus (1), dat beroemd is om het maken van sporen. Sporen zijn de meest ‘slapende’ vorm van bacteriën omdat zij een minimale biologische activiteit vertonen. Dit kenmerk van sporen wordt toegeschreven aan de werking van kleine, in zuur oplosbare eiwitten (SASPs) (2). Terwijl ze nog levensvatbaar zijn, wordt het metabolisme van sporenvormende bacteriën zo traag dat ze duizenden jaren kunnen overleven! 

Tandsteen 
Tandsteen is een gefossiliseerde bacteriële biofilm die zich op het oppervlak van tanden en kiezen vormt. Het unieke aan deze “bewaarplaats” is dat tandsteen niet uitvalt en zijn structuur de ‘tand des tijds’ kan weerstaan. In zijn artikel stelt Turner-Walker verschillende factoren voor die bijdragen tot een uitstekende bewaring van genetisch materiaal in tandsteen. Ten eerste is het geen materiaal dat gemakkelijk gekoloniseerd wordt door bacteriën uit de omgeving. In tanden en kiezen ontbreken biologische kanalen die normaal gesproken toegangs- en bewegingspunten bieden voor bacteriën die nog niet in het lichaam aanwezig zijn. Ten tweede ontbreekt het tandsteen ook aan een rijke bron van voedingsstoffen die bacteriën kunnen aantrekken en ondersteunen in hun groei en de afbraak kunnen bevorderen. Tenslotte wordt tandsteen (als het eenmaal gefossiliseerd is) extreem hard, waardoor het resistent is tegen bederf.


Het terugvinden van oude bacteriën uit tand-DNA wordt meestal in verband gebracht met ziektes. Door een bepaalde ziekte vast te stellen, kunnen wetenschappers een mogelijke levenswijze van een mens of dier voorstellen. Bovendien stelt het vaststellen van een ziekte onderzoekers in staat een veroorzaker van deze ziekte te vinden, die in de meeste gevallen bacteriën en opportunistische ziekteverwekkers zijn. Studies hebben bijvoorbeeld aangetoond dat de bacteriën Yersinia pestis (3) en Salmonella enterica serovar typhi (4) aanwezig zijn in oude tanden. 

De pest werd veroorzaakt door Y. pestis, dat zich vanuit Azië over de Alpen en door heel Europa verspreidde (5). Sommige wetenschappers suggereren zelfs dat de moderne stammen van deze bacterie zijn afgeleid van de stam die in de 14e eeuw in Europa de builenpest veroorzaakte. Deze waarnemingen tonen aan hoe de analyse van oud DNA kan helpen om evolutionaire patronen en mutaties in bacteriële genomen te begrijpen.

Coprolieten
Als laatste, maar zeker niet het minst belangrijk, zijn er de coprolieten – gefossiliseerde resten van uitwerpselen – die ongetwijfeld de rijkste bron van oude micro-organismen vormen. Poep bevat natuurlijk miljarden micro-organismen, en therapieën zoals ‘ontlastingstransplantatie’ kunnen worden gebruikt om gezonde micro-organismen van de ene mensop eenandere over te brengen. In de hoop oude micro-organismen te ontdekken, besloten wetenschappers dan ook coprolieten te bestuderen vanuit een “microbiologisch” perspectief.

Reinhard en zijn collega’s voerden de studie uit, waarbij zij coprolieten onderzochten die waren gevonden op het Colorado Plateau (Utah, VS) (6). Ze identificeerden bacteriële DNA-monsters die behoorden tot de Alpha-, Beta-, en Gammaproteobacteria, Bacteroides, Clostridia, Eubacterium spp. en zelfs Vibrio spp. Het is gemakkelijk te zien hoe divers oude coprolieten zijn qua microbiologie!

If studied carefully, recovered coprolites could contain an enormous amount of information about lifestyles, dietary habits, and even certain cultural norms of ancient people. And because composition of a microbiome is highly dependable on a lifestyle and dietary preferences, scientists can get a better understanding of a prehistoric world. Although it is interesting to learn about ancient microorganisms, studies in the area of paleIndien zorgvuldig bestudeerd, zouden teruggevonden coprolieten een enorme hoeveelheid informatie kunnen bevatten over levensstijlen, voedingsgewoonten, en zelfs bepaalde culturele normen van mensen uit de oudheid. En omdat de samenstelling van een microbioom sterk afhankelijk is van een levensstijl en dieetvoorkeuren, kunnen wetenschappers een beter inzicht krijgen in een prehistorische wereld. Hoewel het interessant is om meer te weten te komen over micro-organismen uit de oudheid, kunnen studies op het gebied van de paleomicrobiologie wetenschappers helpen om een verband te leggen tussen het verleden, het heden en de toekomst. Door de samenstelling van microbiomen uit de oudheid te bepalen, wordt het gemakkelijk om evolutionaire veranderingen te traceren die zich hebben voorgedaan als gevolg van industrialisatie, globalisatie en moderne hygiëne (1). Het is vanzelfsprekenddat mensen hun relatie met microben drastisch hebben veranderd, en deze verandering is letterlijk vastgelegd in het lichaam.


Link to the original post: Rivera-Perez, J.I., Santiago-Rodriguez, T.M., Toranzos, G.A. 2016. Paleomicrobiology: a Snapshot of Ancient Microbes and Approaches to Forensic Microbiology. Microbiol Spectr. 4(4). doi:10.1128/microbiolspec.EMF-0006-2015

Featured image: https://www.istockphoto.com/photo/yellow-cartoon-robot-thinking-about-something-gm871234518-145515783 and Created in Biorender.

  1.  Rivera-Perez, J.I., Santiago-Rodriguez, T.M., Toranzos, G.A. 2016. Paleomicrobiology: a Snapshot of Ancient Microbes and Approaches to Forensic Microbiology. Microbiol Spectr. 4(4). doi:10.1128/microbiolspec.EMF-0006-2015
  2.  Cano RJ. 1997. Isolation, characterization, and diversity of microorganisms from amber. Proceedings of SPIE. 3111: 444-451. doi:10.1117/12.278799
  3. Drancourt, M., Aboudharam, G., Signoli, M., Dutour, O., Raoult, D. 1998. Detection of 400-year-old Yersinia pestis DNA in human dental pulp: an approach to the diagnosis of ancient septicemia. Proc Natl Acad Sci USA. 95:12637–12640.
  4. Papagrigorakis, M.J., Synodinos, P.N., Yapijakis, C. 2007. Ancient typhoid epidemic reveals possible ancestral strain of Salmonella enterica serovar Typhi. Infect Genet Evol. 7:126–127.
  5. Harbeck, M. et al. 2013. Yersinia pestis DNA from skeletal remains from the 6(th) century AD reveals insights into Justinianic Plague. PLoS Pathog.
  6.  Reinhard, K.J., Hevly, R.H., Anderson, G.A. 1987. Helminth remains from prehistoric Indian coprolites on the Colorado Plateau. J Parasitol. 73:630–639.