Microbiologie in hapklare porties
Je bent wat je eet.
Gastheer-microbe interacties spelen een cruciale rol in de ecologische en evolutionaire geschiedenis van het leven op aarde. We zouden zelfs zo ver kunnen gaan om ze vormende factoren te noemen, aangezien veel dieren hun (huidige) dieet danken aan een combinatie van fysiologische aanpassingen én de metabole reacties die voorzien worden door het darmmicrobioom. Het is dan ook niet verwonderlijk dat bij veel gewervelde dieren hun darmbacteriën de evolutionaire geschiedenis én de voedingsstrategieën van hun gastheer weerspiegelen; dit fenomeen wordt fylosymbiose genoemd. Hoewel veel recente studies patronen van fylosymbiose rapporteren, zijn er maar weinig die de functionele bijdragen van deze microben aan de voedingsgewoonten van hun gastheer onderzoeken. Dit maakt het onmogelijk om de ware impact van deze microbiële symbionten op de fitheid en evolutie van de gastheer te beoordelen.
Een groep wetenschappers onder leiding van Melissa R. Ingala stelden de hypothese dat verschillende dieten of voedingsstrategieën zouden resulteren in verschillende microbioomfuncties (d.i. metabole reacties uitgevoerd of gefaciliteerd door leden van het darmmicrobioom). Om deze hypothese te testen onderzochten zij de voorspelde metabole reacties (d.w.z. van voedsel tot energiebron gebruikt door de gastheer) van 545 darmmicrobioomstalen afkomstig van meer dan 500 vleermuizen (13 families, 42 genera, 60 soorten). Het is gebleken dat vleermuizen een ideaal modelsysteem zijn voor dit soort studies omdat ze er, afhankelijk van de soort, zeer specifieke diëten op na houden. Bovendien beslaat hun natuurlijke habitat verschillende delen van de wereld, waardoor we de mechanismen kunnen onderzoeken die geografisch gescheiden vleermuissoorten ertoe hebben gebracht zich aan te passen aan soortgelijke diëten (d.i. hoe kan een vleermuissoort in Afrika een dieet delen met een vleermuissoort in Amerika?).
De bestudeerde metabole reacties zijn het resultaat van de microbiële en functionele profilering van vleermuis guano, wat in feite niets meer is dan een wetenschappelijke term voor gedroogde vleermuispoep. De wetenschappers extraheerden microbieel DNA uit deze vleermuis guano-stalen en analyseerden deze met behulp van bio-informatica platformen om 1) de darmmicrobioom compositie te bepalen (16S rRNA-genprofilering) en 2) de functies die deze bacteriën vervullen, dit zijn de metabole reacties of microbioomfuncties, om tegemoet te komen aan de voedingsbehoeften van hun gastheer (PICRUSt2) in kaart te brengen. Het team ontdekte 448 metabole reacties (448 MetaCyc-reacties), die ze vervolgens testten op verrijking (d.i. het meer of minder voorkomen van bepaalde bepaalde factoren in een studiepopulatie) in vijf verschillende vleesmuisdieten: frugivoor (vruchtenetend), insectivoor (insectenetend), omnivoor (allesetend), carnivoor (vis- en/of vleesetend) en sanguivoor (bloedetend).
De groep ontdekte dat de voorspelde microbioomfuncties significant verschilden als gevolg van de gastheertaxonomie en – je raadt het al – hun dieet. De vraag is natuurlijk in welke mate het dieet bijdraagt aan dit waargenomen verschil. Dus vergeleken Ingala et al. de voorspelde microbioomfuncties van de verschillende dieetgroepen om te zien of ze al dan niet significant verschillend waren. Volgens hun hypothese zou verwachten dat het meest gespecialiseerde, of beperkte dieet het meest te onderscheiden zou moeten zijn van de anderen. Echter, de microbioomfuncties van de vleesetende en de insectenetende vleermuizen bleken zich het meest te onderscheiden van de andere groepen. De microbioomfuncties van de hypergespecialiseerde vampiervleermuizen waren enigszins te onderscheiden, maar waren niet significant ten opzichte van de omnivore vleermuizen. Deze laatste groep vertoonde geen verrassende overlap met andere dieetgroepen, maar bleken zich te onderscheiden van strikte insecteneters en carnivoren (Fig. 2).
Toen de onderzoeksgroep de microbioomfuncties vergeleek in termen van primair dierlijk voedsel (carnivoor) versus primair plantaardig voedsel (herbivoor), vonden zij 37 verschillende verrijkte metabole reacties. Opmerkelijk is dat deze verrijkte metabole reacties bij herbivore vleermuizen verband hielden met de productie van essentiële aminozuren. Deze aminozuren kunnen niet worden gesynthetiseerd door de gastheer zelf, dus moeten ze ofwel aanwezig zijn in het dieet ofwel geproduceerd worden door het darmmicrobioom, waarna de gastheer ze kan absorberen in de darm. Dit vormt een voedingsprobleem voor obligate frugivoren, aangezien vruchten veel minder eiwitten bevatten in vergelijking met bijvoorbeeld insecten.
Gelukkig kunnen symbiontische darmmicroben hun gastheer helpen om deze essentiële aminozuren te voorzien of te supplementeren. Dit fenomeen is reeds aangetoond in een muis-model dat gevoed werd met een eiwitarm dieet. Andere functies die in deze voedingsgroep werden verrijkt, hielden verband met de afbraak van koolhydraten (b.v. glycogeen en zetmeel) en de biosynthese van de B-vitamine folaat. Dit is allemaal te verwachten aangezien de meeste vruchten hoofdzakelijk bestaan uit water en enkelvoudige koolhydraten. Carnivore vleermuizen vertoonden een meer algemeen scala aan microbioomfuncties. Binnen deze dieetgroep valt vooral de vampiervleermuis op vanwege de aanwezigheid van Peptostreptococcaceae in zijn darmmicrobioom. Deze bacteriefamilie heeft het zeldzame vermogen aminozuren te fermenteren, een stofwisselingsproces dat zeer goed van pas komt aangezien bloed veel eiwitten bevat. Om je even een idee te geven: bloed bestaat voor 78% uit vloeistof, maar de vaste cellulaire fase is 93% eiwit. Dit suggereert dat darmmicroben kritieke voedingswegen kunnen vervullen of aanvullen, zoals de synthese van essentiële aminozuren, de biosynthese van vetzuren, of de aanmaak van cofactoren en vitamines om hun gastheer van de juiste voeding te voorzien (fig. 3).
Ingala et al. zijn er dus in geslaagd een duidelijk verband aan te tonen tussen het metabolisme van bacteriën en het dieet van de gastheer, wat zich vertaalt in verschillend verrijkte metabole reacties. Maar hoe sterk is dit verband? Kunnen we het gastheerdieet bepalen op basis van de functiesamenstelling van het microbioom? In een poging om deze vraag te beantwoorden, voerden Ingala et al. een specifieke analyse uit, Random Forest-analyse genaamd, om te testen of ze vleermuizen konden indelen in dieetgroepen én gastheerfamilie en -geslacht, op basis van hun darmmicrobiomen. Het model slaagde erin het gastheerdieet te voorspellen op basis van de darmmicrobiomen met nauwkeurigheidspercentages tussen 80 en 85%. Helaas kon het model voornamelijk de dieretende vleermuizen met succes identificeren en presteerde het aanzienlijk slechter voor de herbivore en omnivore groepen. Bovendien bleek het niet in staat de gastheerfamilie of het -geslacht te voorspellen op basis van de microbioomfuncties. Het lijkt er dus op dat microbioomfuncties weliswaar kenmerkend zijn voor het gastheerdieet, maar niet robuust genoeg om een onderscheid te maken tussen verwante gastheren.
Alles bij elkaar genomen hebben Ingala et al. resultaten geleverd die erop wijzen dat vleermuizen kunnen vertrouwen op hun darmsymbionten om essentiële metabolische rollen te vervullen in overeenstemming met hun voedingsecologie. De sterkte van deze gastheer-microbe interactie hangt waarschijnlijk af van de mate van de specificiteit van het gastheerdieet (b.v. strikt frugivoor versus incidenteel insectivoor). Dus ja, er lijkt een wetenschappelijke basis te zijn voor de al te bekende “je bent wat je eet”-zin. Maar er blijven nog een paar belangrijke vragen over: 1) Hoe specifiek moet dit gastheerdieet zijn voordat we het kunnen onderscheiden van andere op basis van microbioomfuncties? 2) Wat is de precieze impact van gastheer-microbe interacties op de diversiteit van de gastheer? en 3) Zijn deze microbioomfuncties onderhevig aan selectieve druk?
Ik ben er zeker van dat toekomstige studies interessante inzichten zullen verschaffen in dit fascinerende onderwerp.
Link to the original post: Ingala, M.R., Simmons, N.B., Dunbar, M. et al. You are more than what you eat: potentially adaptive enrichment of microbiome functions across bat dietary niches. anim microbiome 3, 82 (2021). https://doi.org/10.1186/s42523-021-00139-8
Featured image: Featured image created by author using BioRender.com
Vertaald door: Lieselotte Peeters
micro-bites.org 