Microbiologie in hapklare porties
Minimalisme in de microbiële wereld
In de hedendaagse consumptiemaatschappij wordt er vaak gesproken over het aannemen van een minimalistische levensstijl – waarbij individuen alleen kopen en genieten van wat ze echt nodig hebben, en niets meer, waardoor ze het overtollige achterlaten.
Minimalisme en bacteriën
In de natuurlijke bestaande microbiële gemeenschappen komen we niet vaak minimalisme tegen. Microbiële genomen zitten vol met genen, waarvan de rol van sommige nog onbekend is voor de mensheid. De veelzijdige aard van deze genen helpt de microben ze te gebruiken onder zowel normale als ongunstige omstandigheden. Jarenlang heeft de onderzoeksgemeenschap geprobeerd minimalistische versies van veel microben te creëren en deze toe te passen voor de ontwikkeling van gemodificeerde stammen die in staat zijn om nuttige bioproducten te produceren. Door niet-essentiële genen te verwijderen en alleen de noodzakelijke te behouden, kunnen wetenschappers microben ontwerpen voor specifieke taken, zoals bioremediatie, biobrandstofproductie, biopreservatiemiddelen en zelfs vaccins. Maar, zoals we allemaal weten, evolueert alles, net als wij mensen die geëvolueerd zijn van typemachine specialisten tot mensen die bijna in hun luxe gadgets leven. Grappen terzijde, mensen evolueerden door geleidelijk eigenschappen te ontwikkelen die hen hielpen overleven en gedijen in verschillende omgevingen gedurende een zeer lange tijd. Op dezelfde manier evolueren bacteriën, maar dan met een veel sneller tempo dan mensen, of in ieder geval lijkt het alsof ze snel evolueren, omdat hun levensduur korter is dan die van mensen!
Een vraag die veel wetenschappers in de wetenschappelijke gemeenschap heeft beziggehouden, is hoe een minimalistische cel evolueert. Het is moeilijk om de evolutie van microben met niet-minimale genomen te bestuderen gezien de enorme hoeveelheid genen. Het is echter relatief eenvoudig om de evolutie van microben met minimale genomen te bestuderen, omdat met minder genen gemakkelijk te volgen is welke de evolutie sturen. Op toepassingsniveau is het belangrijk om de evolutie van alle microben, minimaal of niet, te begrijpen. In ons dagelijks leven vertrouwen we op verschillende microbiële producten zoals kaas, probiotica en vaccins, om er maar een paar te noemen. Zelfs onder ogenschijnlijk constante omstandigheden evolueren alle microben, ook de microben die aanwezig zijn in de producten die we consumeren. Het is daarom cruciaal om de evolutie van deze microben te begrijpen, zodat we het potentiële gezondheidsrisico of de voordelen die ze bieden, kunnen begrijpen. Dit begrip is essentieel om hun gedrag te anticiperen in ongunstige omstandigheden (competitie met andere microben; veranderingen in warmte, temperatuur en pH) of zelfs in een stabiele omgeving.
Recentelijk onderzocht een groep wetenschappers de evolutie van minimalistische bacteriële cellen van Mycoplasma mycoides (M. mycoides), bestaande uit slechts 493 genen in vergelijking met zijn niet-minimale versie (901 genen). Het minimale genoom heeft geknutselde genen voor DNA-replicatiefouten. Deze laatste genen zijn cruciaal voor alle organismen. Ze corrigeren fouten telkens wanneer een genoom zich repliceert en dragen bij aan de algehele stabiliteit van het genoom. In de huidige studie waren er meerdere bevindingen, waarvan er 2 in deze blog zullen worden besproken:
- Het fitheid spectrum is niet lineair of zelfs progressief voor de minimale cellen.
- Het minimale genoom heeft een equivalent mutatie tempo als complexe genomen.
Om de bovenstaande twee punten beter te verklaren, moeten we kijken naar het bestaan van een bacterie vanuit de perspectieven van leven, gezondheid en dood..
Wat betekent het voor een bacterie om fit te zijn?
Fitheid is een ander concept in de bacteriële wereld vergeleken met wat we gewoonlijk weten. Voor mensen betekent fitheid zorgen voor onze gezondheid en onszelf actief houden. Het meeste hiervan correleert ook met het vermogen van ons lichaam om voedingsstoffen, koolhydraten, eiwitten en vetten optimaal te benutten. Voor bacteriën verwijst fitheid naar hun vermogen om niet alleen de voedingsstoffen beter te benutten, maar ook om sneller te repliceren (met andere woorden zich voort te planten). De levensduur van een mens is veel langer dan die van bacteriën. Daarom is het gemakkelijk om bacteriële replicatie te observeren onder experimentele omstandigheden. Dit is ook de reden waarom microbiologen/wetenschappers praten over bacteriële levensduur in ‘generaties’. 1 week in een mensenleven kan duizenden generaties betekenen voor bacteriën. De auteurs van de studie ontdekten dat de bacteriën aanvankelijk bijna 50% van hun fitheid capaciteit verloren. Ze schreven dit toe aan het verlies van genomen van deze minimale cellen. Na het herhaaldelijk laten groeien van M. mycoides in het laboratorium gedurende 2000 generaties, ontdekten de auteurs dat deze verloren fitheid werd herwonnen en vergelijkbaar was met die van de niet-minimale M. mycoides. Met andere woorden, het minimale genoom van M. mycoides is niet gedoemd. Het kan zelfs vergelijkbaar presteren met dat van het niet-minimale genoom na het ondergaan van de ‘fitheid’ achtbaanrit.
Mutatiesnelheden van bacteriële genomen
In vergelijking met 3 miljard basenparen op 23 chromosomen van het menselijk genoom, hebben bacteriën een kleine genoomgrootte. Bijvoorbeeld, het genoom van M. mycoides heeft 1 miljoen basenparen op een enkel chromosoom. De grootte, echter, heeft geen invloed op de complexiteit van de metabole processen en de daarmee samenhangende eiwitten gecodeerd in die genen. De grootte, vooral de afname van het genoom in de loop van de tijd, heeft echter wel invloed op de mutatiesnelheden (het aantal mutaties per nucleotide per generatie) (voer voor gedachten). Deze observatie geldt echter niet voor alle organismen. In de huidige studie ontdekten de auteurs dat de mutatiesnelheid niet werd beïnvloed door genomische reductie, zelfs als deze reductie het verwijderen van genen betrof die betrokken zijn bij de foutcorrectie van DNA-replicatie. De auteurs schreven deze observatie toe aan de intrinsiek hoge mutatiesnelheid van niet-minimale M. mycoides en de lage populatiegrootte die werd gebruikt voor hun experimenten. Toevallig komt deze observatie overeen met de drift-barrière theorie, die stelt dat de populatie mutatiesnelheid voornamelijk wordt bepaald door de populatiegrootte. Over het algemeen wordt verwacht dat grotere populaties lagere mutatiesnelheden vertonen in vergelijking met kleinere populaties. En dit is precies wat de auteurs van de huidige studie opmerken in hun experimenten.
Wat betekent dit alles? Waarom bestuderen we zelfs een minimale bacteriële cel?
Het antwoord op deze vraag is lastig! Het bestuderen van minimale genomen helpt bij het identificeren van de genen die essentieel zijn voor de basisfuncties van een organisme. Dit begrip verbetert onze kennis van fundamentele biologische processen die cruciaal zijn voor het leven. Het vereenvoudigen van systemen maakt het gemakkelijker om individuele gen functies en -interacties te bestuderen. Deze aanpak maakt de creatie van organismen mogelijk die zijn afgestemd op specifieke doeleinden, zoals het produceren van biobrandstoffen, medicijnen of enzymen, en draagt bij aan het verkennen van potentiële medicijn doelen. Dit begrip is ook waardevol, zelfs voor niet-minimale microben, terwijl we situaties overwegen met toenemende mens-microbe-interacties, of het nu gaat om een epidemie, probiotica of in agrarische producten. Over het algemeen bieden dergelijke studies slechts een glimp van de talloze observaties die in afwachting zijn van ontdekking binnen de microbiële onderzoeksgemeenschap!
Link to the original post: Moger-Reischer, R.Z., Glass, J.I., Wise, K.S. et al. Evolution of a minimal cell. Nature 620, 122–127 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06288-x
Featured image: Image created by author in Midjourney AI.
Vertaald door: Mira Stas
micro-bites.org 