Microbiologie in hapklare porties
Een bacterieel testament – het DNA van historische pathogenen
Leren van fouten
Het onderzoek van fossielen, mummies of diepe geologische formaties heeft altijd al de belangstelling gehad van wetenschappers over de hele wereld. Dat komt omdat ze ons veel vertellen over het verleden, en ons helpen de toekomst te voorspellen. De botten van de slachtoffers van de uitbarsting van de Vesuvius-vulkaan die in Herculaneum zijn gevonden, vertellen ons bijvoorbeeld dat we ons niet in gesloten boothuizen moeten verstoppen… Tenzij we als een pizza gebakken willen worden bij de extreme temperatuur van 500 °C.
Foto credit: Marta Matuszewska (auteur)
Botten hebben een verhaal te vertellen… geschreven in DNA
Leren van het verleden werd nog opwindender toen wetenschappers zich realiseerden dat zij in de geschiedenis konden kijken op moleculair-biologisch niveau. Oud DNA (aDNA) is het genetisch materiaal dat geïsoleerd is uit oude biologische specimens. Een opmerkelijk voorbeeld van aDNA is het 50.000 jaar oude DNA van een vrouwelijke Neanderthaler, geïsoleerd uit haar vingerkootje en in 2013 gesequeneerd door de onderzoeksgroep onder leiding van Svante Pääbo. Het verkrijgen van aDNA is ingewikkeld, en het wordt nog moeilijker als we de sequentie ervan willen aflezen. Normaal gesproken wordt DNA afgebroken wanneer het niet door een levende cel wordt onderhouden. In overblijfselen uit de oudheid zijn de meestal lange DNA-strengen gefragmenteerd en verknoopt, wat het bijzonder moeilijk maakt om ze te sequensen en samen te voegen. Bonusprobleem: contaminatie met hedendaags DNA is bijna onvermijdelijk – de eerste sequentie van Neanderthaler mitochondriaal DNA bevatte ~11% van modern menselijk DNA.
Maar bacteriën hebben geen botten!
Zoals we geleerd hebben, is het isoleren van DNA erg moeilijk, zelfs van goed bewaarde skeletresten. Maar wetenschappers kunnen nog verder gaan! Denk aan bacteriële ziekteverwekkers. Onzichtbare, fragiele, kleine cellen die ons lichaam binnendringen. Hun DNA wordt alleen beschermd door een celwand die in de loop der jaren gemakkelijk kan worden afgebroken. Deze celwand is vooral dun bij de Gram-negatieve bacteriën, die de meerderheid van de menselijke ziekteverwekkers vormen. Ondanks deze uitdagingen hebben onderzoekers de laatste jaren verschillende manieren gevonden om bacterieel aDNA te isoleren, te identificeren en te authenticeren. Zij vinden bacteriën die bijvoorbeeld bewaard zijn gebleven in skeletletsels of gemummificeerd zacht weefsel, zij optimaliseren de aDNA-isolatietechnieken en zij gebruiken diverse vergelijkende methoden om na te gaan of de sequentie werkelijk die van een oeroud pathogeen is. Op die manier kunnen zij de genomische sequentie onthullen van de fragiele oude Gram-negatieve bacteriën, zoals Escherichia coli, die zich in de overblijfselen van onze voorouders schuilhouden!
Mogelijkheid tot infectie in de renaissance
In een recent artikel (gepubliceerd in Communications Biology) beschrijven onderzoekers het verkrijgen van het genoom van E. coli die vijf eeuwen geleden een infectie veroorzaakte. De meeste stammen van de bacteriële beroemdheid, E. coli, infecteren de mens niet gemakkelijk. Zij kunnen aanwezig zijn in ons darmmicrobioom, als onze symbiotische vriend. Nou ja… afgezien van de momenten waarop ons immuunsysteem te zwak is om deze relatie in stand te houden en E. coli een opportunistische infectie veroorzaakt. Dit is precies wat er gebeurde in 1586, met Giovani d’Avalos. De gemummificeerde galblaas en galstenen van deze arme Napolitaanse edelman werden onderzocht om de microbiële reden van zijn dood te vinden.
Wat kan de galsteen van Giovani ons vertellen?
Hoewel veel menselijke ziekten tot galsteenvorming kunnen leiden, zijn de galstenen die door bacteriële infecties worden veroorzaakt vrij uniek. Door hun bacteriële ontstaanswijze worden ze bruin in plaats van geel. Dit type kleur maakte Giovani’s overblijfselen interessant voor de wetenschappers toen zij de mummie onderzochten. De dissectie van de galsteen en de isolatie en sequentiebepaling van het DNA brachten inderdaad de historische sequentie van het E. coli-genoom aan het licht. Zoals bekend kan aDNA tegen afbraak worden beschermd door de fysieke barrières die het van de omgeving afschermen, wat betekent dat de galstenen de langere strengen bacterieel DNA zouden moeten beschermen als er bacteriën bij de vorming ervan betrokken waren. En inderdaad werd aDNA gevonden in het geval van Giovani’s opportunistische ziekteverwekker die hoogstwaarschijnlijk de reden van zijn dood was.
Meer bacteriële geschiedenis in de genen
Ironisch genoeg bleek uit de genetische analyse dat de E. coli die Giovani doodde, niet bijzonder gevaarlijk was. Het was een milde stam die mensen met een goed werkend immuunsysteem niet infecteert. Bovendien had het geen genen voor antibioticaresistentie (wel, niet dat Giovani in 1586 toegang had tot antibiotica). Het had echter het voordeel dat het tijdens de infectie enkele virulentiegenen (zoals het type VI secretiesysteem (T6SS) van Klebsiella aerogenes, een andere bacteriële ziekteverwekker bij de mens) verwierf. Uiteindelijk werd deze E. coli-stam geclassificeerd als behorend tot een stamreeks van verwante stammen die vandaag de dag nog steeds levensvatbaar is en 400 jaar later nog steeds galstenen veroorzaakt!
Waarom deze moeite doen?
Leren van het verleden is essentieel om de toekomst te voorspellen. De galstenen van Giovani hebben ons inzicht gegeven in hoe de moderne E. coli evolueert en zich aanpast. Deze studie draagt specifiek bij tot onze kennis over antibioticaresistentie, aangezien we kunnen leren dat dit fenomeen zelfs afwezig is bij dodelijke infecties die vóór het antibioticatijdperk plaatsvonden. De onderzoekers hopen dat hun inspanningen anderen zullen helpen die dergelijke verborgen ziekteverwekkers onderzoeken en informatie zullen opleveren voor degenen die infecties van de toekomst trachten te modelleren.
Link to the original post: Long GS et al. (2022). A 16th century Escherichia coli draft genome associated with an opportunistic bile infection. Communications Biology, 5:599.
Featured image: Mummy of Giovani d’Avalos. Credit: The Division of Paleopathology, University of Pisa (Italy)
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 