Het leren en geheugen van honingbijen berust op darmbacteriën

                              

Microbiologie in hapklare porties


Het leren en geheugen van honingbijen berust op darmbacteriën

Bacteriën kunnen goed of slecht zijn, maar in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zijn de meeste goed. Sommige van deze goede bacteriën zijn zelfs een belangrijk onderdeel van ons lichaam en andere (dier)soorten. De darmflora, in bijna elke soort, is geëvolueerd om een essentiële rol te spelen in de overleving van de soort. Koeien, bijvoorbeeld, hebben speciale symbiontbacteriën die hen in staat stellen voedingsstoffen te verteren en te halen uit voedsel dat anders onverteerbaar is voor zoogdieren, zoals gras (cellulose). Het is nu algemeen bekend dat een gezond darmmicrobioom cruciaal is voor een goede gezondheid en dat het een belangrijke rol speelt bij de modulatie van het metabolisme en de immuunfuncties bij zoogdieren en andere diersoorten.

Recentelijk tonen studies ook een functioneel verband aan tussen de neurologische functies en het microbioom van zoogdieren. Een voorbeeld van dit fenomeen is de rol van het darmmicrobioom in het tryptofaan metabolisme waarbij serotonine wordt geproduceerd – een molecuul dat verantwoordelijk is voor de controle van onze stemming en slaap in de hersenen. In dit geval zou een verlies van een gezonde darmflora het serotonineniveau kunnen verlagen, wat na verloop van tijd tot een slechtere stemming en slaap zou kunnen leiden. 

Deze verbinding tussen hersenen en darmen zette Zheng et al. (2022) ertoe aan zich af te vragen of deze verbinding tussen de darmflora en de hersenen zich ook uitstrekt tot het sociale gedrag en de cognitieve ontwikkeling van de gastheer. Om deze spannende vraag te onderzoeken, gebruikten de onderzoekers honingbijen als modelorganisme, omdat deze een klein, gespecialiseerd darmmicrobioom hebben (gemakkelijk te manipuleren) en zeer sociale en interactieve gemeenschappen vormen. Van het darmmicrobioom van honingbijen is al bekend dat het bepaalde rollen speelt in de immuunhomeostase, het metabolisme en de weerstand tegen pathogenen. Hun darmmicrobioom is ook betrokken bij de communicatie tussen bijen en de herkenning van verwanten.  

Figuur 1: Experimentele opzet: bijen werden blootgesteld aan een behandeling met antibiotica. Uit origineel artikel (Zheng et al., 2022).

   Zheng et al. stelden honingbijen bloot aan behandelingen met antibiotica en brachten ze terug naar de bijenkasten om veranderingen in hun gedrag/gezondheid te observeren in vergelijking met onbehandelde bijen (figuur 1). Ze ontdekten dat blootstelling aan antibiotica, die het microbioom in de darmen verstoorde, de bijen minder vruchtbaar maakte en er minder nakomelingen werden geproduceerd. Interessant is dat ze ook leken te lijden aan ondervoeding. Dit riep de vraag op waarom de bijen ondervoed waren en of dit iets te maken had met hun neurologische functies, met name wat betreft hun geheugen en olfactorisch leren (leren d.m.v. geuren).

Figuur 2: Olfactorische (reuk) leer- en geheugentests. Uit het oorspronkelijke artikel (Zheng et al., 2022).

Daarom kozen de onderzoekers ervoor om deze eigenschappen verder te onderzoeken, aangezien ze belangrijk zijn voor veel van sociale gedragingen van bijen, zoals arbeidsverdeling, familieherkenning en paring. Zoals verwacht presteerden bijen met een verstoord darmmicrobioom slechter dan bijen met een gezond microbioom in een olfactorische leertaak waarbij ze een bepaalde geur moesten associëren met een suikerbeloning (figuur 2). Geen van de bijen met verstoorde microbiomen kon zich de geur-beloning associatie herinneren in een latere geheugentaak. Hieruit blijkt hoe het microbioom in de darm het leer- en geheugenvermogen van de bijen beïnvloedt. 

Ze onderzochten deze kwalitatieve waarneming in het veld verder door gebruik te maken van kwantitatieve genetische benaderingen om veranderingen op genetisch niveau vast te stellen. De onderzoekers ontdekten dat bijen met een gezond darmmicrobioom een ander genexpressieprofiel in de hersenen hadden dan bijen met een verstoord microbioom. In het bijzonder, verstoorde darmmicrobiomen verminderde de expressie van veel genen die belangrijk zijn voor het leerproces en geheugen van honingbijen.

 Vervolgens wilden ze het mechanisme bepalen van hoe deze darmmicroben het geheugen beïnvloeden, dus voerden ze een metabolische analyse uit om de verschillen tussen de met antibiotica behandelde en onbehandelde bijen te vergelijken. De verschillende darmmicroben veranderden het tryptofaan metabolisme, een essentieel aminozuur voor een goede groei en ontwikkeling. 

Figuur 3: Samenvatting van het effect van darmbacteriën op het gedrag van honingbijen. Uit origineel artikel (Zheng et al., 2022).

In het bijzonder zijn er twee tryptofaan-afbraakroutes, zoals te zien is in figuur 3, één die wordt bemiddeld door darmmicrobe-enzymen (ArAT-enzym, geconserveerd in sommige darmmicroben) die indoolderivaten produceert (waarvan bekend is dat het belangrijk is voor het behoud van de darmgezondheid) en een andere die wordt bemiddeld door gastheerenzymen die Kyn produceert (geassocieerd met neurodegeneratieve ziekten). In het algemeen toont hun studie aan dat gezonde darmmicroben die het ArAT enzym tot expressie brengen, in het geval van honingbijen was dat Lactobacillus apis, de tryptofaan afbraak via de indool route bevorderen en de Kyn route, die schadelijke metabolieten voor de neurologische functie produceert, beperken. 

Nu de onderzoekers wisten dat het tryptofaan metabolisme werd aangedreven door Lactobacillus apis, wilden zij weten hoe dit leidde tot gedragsveranderingen tussen de twee groepen bijen. Ze stelden vast dat de geproduceerde indoolderivaten liganden (een chemische stof die zich bindt op de bindingsplaats van een receptor) waren van een intestinale transcriptiefactor, AhR; dat wil zeggen dat de twee als een legpuzzel in elkaar passen en leiden tot de activering van andere belangrijke functies, zoals geheugen en leren (figuur 3). Ze bevestigden dit door een groep gezonde darmmicroben te behandelen met een AhR-antagonist (een molecuul die de AhR-activering en -functie zou remmen) en ze zagen verslechterde prestaties bij de olfactorische leer- en geheugentaak (figuur 2).

Deze resultaten zijn zeer fascinerend omdat ze een bijkomende kritische rol onthullen die het darmmicrobioom en individuele bacteriën kunnen spelen in de gastheer. Hoewel deze studie de rol van darmbacteriën bij het reguleren van geheugen en leren bij bijen aantoonde, zou het mogelijk ook enkele parallellen bij zoogdieren kunnen hebben. Wij hebben bijvoorbeeld ook darmmicroben die het tryptofaanmetabolisme reguleren, wat een belangrijke rol zou kunnen spelen in onze neurologische functies. Vervolgens zou het heel interessant zijn om de rol van het darmmicrobioom van zoogdieren bij het leren en het geheugen te onderzoeken. 


Link to the original post: Zhang, Z., Mu, X., Cao, Q. et al. Honeybee gut Lactobacillus modulates host learning and memory behaviors via regulating tryptophan metabolism. Nat Commun 13, 2037 (2022).

Featured image: By Ivar Leidus – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=50535031


Vertaald door: Charlotte van de Velde