Samenlevende micro-organismen: geheel is meer dan de som van alle delen

Nieuws - 20 juli 2023 - Communication TNW

Gemeenschappen van micro-organismen zijn veelgebruikte leveranciers in de biotechnologie van processen zoals de productie van biobrandstoffen en nieuwe voedingsmiddelen, of om gewassen beter te laten groeien. Om succesvolle gemeenschappen te ontwikkelen, moeten wetenschappers kunnen voorspellen of micro-organismen samen kunnen leven en werken. Een populaire voorspellende regel stelt dat als een tweetal microben samen kunnen leven, ze dat ook zullen doen in een grotere microbengemeenschap. Uit een onderzoek gepubliceerd in Science is nu gebleken dat deze eenvoudige regel niet altijd juist is. 

Net als planten en dieren leven micro-organismen in complexe ecologische gemeenschappen die bestaan uit meerdere samenlevende soorten. Deze gemeenschappen zijn overal op aarde te vinden en ze spelen ook een groeiende en veelbelovende rol in de biotechnologie. Microbiƫle gemeenschappen worden ontworpen voor de productie van biobrandstoffen en andere essentiƫle producten in bio-raffinaderijen, om nieuwe voedingsmiddelen te creƫren of om gewassen beter te laten groeien. Leren hoe je deze gemeenschappen kunt ontwikkelen om de diensten die ze leveren te verbeteren is dus een belangrijk doel in de biotechnologie.

Een van de grootste obstakels bij het ontwerpen van microbiƫle gemeenschappen is dat niet alle micro-organismen met elkaar samen kunnen leven. Zelfs als het ons lukt om een veelbelovende microbiƫle gemeenschap te ontwerpen, is het heel waarschijnlijk dat veel van de leden zullen uitsterven. Daarom proberen wetenschappers manieren te vinden om te voorspellen of soorten naast elkaar kunnen bestaan.

We proberen de verbluffende diversiteit te begrijpen die we zien in bacteriegemeenschappen. Hoe kunnen zoveel soorten erin slagen samen te overleven binnen dezelfde gemeenschap?

Djordje Bajić, Assistant Professor IndustriĆ«le Microbiologie

Een eenvoudige regel

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania, Centro Nacional de BiotecnologĆ­a van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC), TU Delft en Yale University bestudeerden hoe je coĆ«xistentie van bacterien in complexe gemeenschappen kunt voorspellen. In dit artikel van Chang et al. onderzochten de auteurs een populaire hypothese: Wanneer meerdere soorten (bijvoorbeeld A, B en C) samen kunnen overleven als een gemeenschap, moet elk tweetal soorten ook kunnen overleven als een geĆÆsoleerd paar. A moet dus samen met B kunnen overleven, net als B met C en C met A. Deze hypothese heeft de afgelopen jaren steeds meer terrein gewonnen. De aanname is erg aanlokkelijk omdat het, als het over het algemeen klopt, een eenvoudige en praktische manier biedt om coĆ«xistentie in complexe microbiĆ«le gemeenschappen te voorspellen.

Om deze hypothese te testen, besloten de auteurs twaalf verschillende microbiĆ«le gemeenschappen uit elkaar te halen waarin tussen de drie en tien soorten naast elkaar leven. Ze vergeleken vervolgens alle mogelijke paren van micro-organismen en ontdekten dat, in tegenstelling tot de bovenstaande hypothese, de meeste tweetallen niet overleefden. Met andere woorden: de eenvoudige regel om coĆ«xistentie te voorspellen werkt niet altijd, wat aangeeft dat bij coĆ«xistentie het geheel vaak meer is dan de som van de afzonderlijke delen. 

Afbeeldingen van 24 bacteriekolonies uit de bestudeerde microbiƫle gemeenschappen.

Nieuwe voorspellende handvatten

Het artikel van Chang benadrukt dat het belangrijke probleem om te voorspellen welke microben samen kunnen leven nog niet is opgelost, wat de noodzaak onderstreept om nieuwe voorspellende handvatten te ontwikkelen. Hoewel dit als slecht nieuws kan klinken, betekent het in feite een enorme sprong voorwaarts, door vast te stellen dat in microbiƫle gemeenschappen het geheel veel meer is dan de som van de onderdelen. Dit principe zal ons helpen om nieuwe modellen te bouwen die ons uiteindelijk kunnen helpen om microbiƫle gemeenschappen te bouwen.

"We proberen de verbluffende diversiteit te begrijpen die we zien in bacteriegemeenschappen", zegt Djordje Bajić, Assistant Professor IndustriĆ«le Microbiologie. "Hoe kunnen zoveel soorten erin slagen samen te overleven binnen dezelfde gemeenschap?" Begrijpen hoe bacteriĆ«n samen overleven is belangrijk voor een beter begrip van onze wereld, aangezien microbiĆ«le gemeenschappen bijna elk oppervlak op onze planeet koloniseren, legt Bajić uit: "Ze spelen een rol in de wereldwijde kringloop van elementen en zijn essentieel voor de gezondheid van ons eigen microbioom in de darmen. Dit onderzoek zal zeker invloed hebben op ons begrip van microbiĆ«le gemeenschappen en het microbioom. En het zal ook bijdragen aan de ontwikkeling van modellen en technologieĆ«n om microbiomen te ontwerpen en bestaande microbiomen in de gewenste richting te sturen in veel toepassingen: bijvoorbeeld in de gezondheidszorg, afvalwaterzuivering, productie van duurzame biopesticiden en biomeststoffen op basis van microben."

Djordje Bajić

Assistant Professor