bacteriën

Zelfs een microscopisch klein stukje plastic blijkt een leefomgeving voor plasticetende Vibrio's te vormen

Bacterie eet plastic in oceaan

Zoals het er nu naar uitziet heeft de natuur nu een organisme voortgebracht dat plastic kan afbreken. Helpt de evolutie de oceanen uit de brand, of dreigt er nieuw gevaar?

Zelfs een microscopisch klein stukje plastic blijkt een leefomgeving voor plasticetende Vibrio's te vormen
Zelfs een microscopisch klein stukje plastic blijkt een leefomgeving voor plasticetende Vibrio's te vormen. Bron: Nature/authors

Microscopische oases
Een op plastic gespecialiseerde soort lijkt de tanden te zetten in het plastic afval waarmee we de oceanen vervuilen[1]. We weten echter niet of ze onze rommel netjes opruimen of dat ze ze in moleculaire vorm terugbrengen in de voedselketen- – wat vervelender gevolgen zou hebben. Er worden werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden plastic in rivieren of rechtstreeks in zee gedumpt, wat uiteindelijk terecht komt in stilstaande oceaangebieden als de Sargassozee in de Atlantische Oceaan of het beruchte ‘drijvende plasticeiland’ in de Stille Oceaan. Het meeste plastic verandert uiteindelijk in versnipperde confetti. Onder een elektronenmicroscoop (zie afbeelding) blijkt ieder stukje te veranderen in een “oase, een rif van microbiële activiteit,” omschrijft de ontdekker, marien microbioloog Tracy Mincer van het Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts dichterlijk.

Bacteriën vreten gaatjes in plastic
Mincer en zijn collega’s onderzochten plastic monsters, waaronder stukken vislijn, een plastic zak en een stukje plastic productieafval uit de Sargassozee. De Sargassozee als geheel bevat rond de 1100 ton plastic. Onderzoek met een elektronenmicroscoop liet gaatjes in het plastic zien, waarbinnen zich bacterieachtige cellen bevonden. Het leek er alles van te hebben alsof de bacteriën het plastic wegaten. “Alsof je gloeiende kolen van een barbecue in de sneeuw gooit”, aldus Mincer[1]. De cellen smelten als het ware het plastic om hen heen weg en begraven zich dieper in het plastic.

Al eerder zijn bacteriën ontdekt die afrekenden met plastic in vuilstortplaatsen, maar dit is het eerste rechtstreekse bewijs dat zeebacteriën in zee plastic afbreken. Bacteriën kunnen verklaren waarom de hoeveelheid plasticafval gelijk blijft[2], ondanks de voortdurende toevoer van plasticafval.

Tienduizendvoudige wraak van de natuur
Toch zijn onderzoekers als Mincer er nog niet gerust op. De bacteriën kunnen namelijk als afvalproduct giftige stoffen in de voedselketen achterlaten. Plastics bevatten gifstoffen als ftalaten (een beruchte weekmaker) en absorberen ook (apolaire) organische gifstoffen uit het water, die daarna weer vrijkomen.  Ook kunnen microscopisch kleine deeltjes in cellen terecht komen en daar hun gif dumpen. Omdat wij mensen vooral grote roofvissen als tonijnen eten, betekent dat dat we een tienduizendvoudig geconcentreerde dosis gif binnen krijgen. Tonijnen eten namelijk kleinere roofvissen (e.g. makreel), die weer op bijvoorbeeld haring jagen. Haringen jagen op hun beurt op de kleinste visjes zoals sardines, die op hun beurt weer leven van zoöplankton, kleine diertjes die van algen (fytoplankton) leven. Bij elke trap wordt het gif, dat in lichaamsvet opgelost wordt, rond de factor tien geconcentreerd. In zekere zin kosmische rechtvaardigheid dus: we krijgen ons gif tienduizendvoudig terug. Kortom: geen prettig vooruitzicht voor ons, of voor zeevogels als pinguïns.

Gespecialiseerde plasticsoort verwant aan cholerabacil
Genetische analyse wijst uit dat de plasticbewonende bacteriën aanmerkelijk verschillen van de bacteriën op het omringende zeewater of drijvend zeewier (wat ook veel voorkomt in de Sargassozee) aldus microbioloog  Linda Amaral-Zettler van het Marine Biological Laboratory in het Amerikaanse Woods Hole. Ongeveer een kwart van alle bacteriën op plastic behoren tot het geslacht Vibrio, waar ook de berichte cholerabacil toe behoort. Ze kan niet vertellen of de soort ziekteverwekkend is. Hoe dan ook, zeestromen verspreiden de bacteriën over alle oceanen, zodat alle plastic zal worden afgebroken.

Natuur opmerkelijk veerkrachtig
In de plastic-leefgemeenschap vonden beide onderzoekers ook organismen met een celkern. Reden voor Amaral-Zetter om te spreken over de plastisfeer, een kunstmatige leefomgeving die onbedoeld door de mens is gecreëerd. Beide onderzoekers willen nu met hun team vaststellen welke afbraakproducten de bacteriën produceren en welke methode ze toepassen bij het afbreken van plastic. De opmerkelijke veelzijdigheid die bacteriën aan de dag leggen bij het koloniseren van nieuwe habitats is hiermee weer eens bewezen. Laat Gaia zich hier van haar vriendelijke klant zien? Want wie weet vindt de natuur ook bij andere materialen een methode om ze snel af te breken. Zo blijkt ook de massief stalen Titanic opmerkelijk snel opgegeten te worden door gespecialiseerde bacteriën. Wellicht zullen alleen keramische materialen als aardewerk veilig zijn voor de nietsontziende microben.

Bronnen
1. Marine microbes digest plastic – Nature magazine (2011)
2. Kara Lavender Law et al., Plastic Accumulation in the North Atlantic Subtropical Gyre, Science (2010)

In onze navels blijken zich zeker zeshonderd bacteriesoorten te bevinden die nooit eerder zijn aangetroffen.

Navelstaren levert meer dan zeshonderd nieuwe soorten op

Meer dan veertienhonderd verschillende soorten bacteriën, waarvan er meer dan zeshonderd niet eens in een bekende familie konden worden ondergebracht. Een expeditie naar de diepzee of een Antarctisch zoutmeer? Nee, een proef, waarbij 95 monsters uit de menselijke navel werden verzameld. Een bewijs dat de bacteriediversiteit veel en veel groter is dan tot nu toe gedacht.

In onze navels blijken zich zeker zeshonderd bacteriesoorten te bevinden die nooit eerder zijn aangetroffen.
In onze navels blijken zich zeker zeshonderd bacteriesoorten te bevinden die nooit eerder zijn aangetroffen.

De eerste resultaten van het Belly Button Biodiversity project zijn binnengekomen, en in de 95 monsters die tot nu toe zijn verzameld blijken een verbijsterende 1400 soorten bacteriën voor te komen. 662 soorten hiervan konden zelfs niet in een bekende bacteriefamilie worden ondergebracht. Klaarblijkelijk bevindt zich een uniek ecosysteem in onze buik.

Het project was bedoeld als PR-stunt, maar blijkt nu dus wel degelijk onverwachte, en dus wetenschappelijk relevante resultaten op te leveren. Monsters bacteriën die uit de navels van vrijwilligers zijn geplukt, werden geanalyseerd voor een stukje DNA dat een soort genetische stamboom vormt voor bacteriën: het gen voor 16s ribosomaal RNA. Ribosomen zijn oeroude moleculen die RNA vertalen in eiwitten en werkelijk in elke levende cel op aarde voorkomen. Daarom is dit gen ook zo bruikbaar om stambomen van bacteriën op te stellen.

Dit maakt duidelijk dat onze kennis van de meest voorkomende vorm van leven op aarde hopeloos in de kinderschoenen staat en dat we nog maar heel weinig bacteriesoorten kennen. Dat is ook niet verwonderlijk – volgens sommige schattingen is het grootste deel van alle biomassa bacterie. Zelfs wij slepen kilo’s aan bacteriën in ons lichaam mee. Ook zijn bacteriën zonder DNA-onderzoek lastig uit elkaar te houden.

Het is ook lastig om bacteriën in soorten in te delen. Bacteriën van verschillende soorten kunnen DNA uitwisselen – de reden dat antibiotica-resistentie zich zo snel verspreidt. Het onderzoeksteam deelde ze daarom in  “operational taxonomic units” in met 16S ribosomal RNA gen sequenties die drie procent of minder van elkaar verschillen. Als deze standaard op zoogdieren zou worden toegepast, zouden honden en katten (of mensen en andere mensapen) in één groep worden ingedeeld. Een ‘match’ betekent dus in de praktijk vaak een verschil van miljoenen jaren – in bacterietermen zeker een eeuwigheid.

Hoewel er een groot aantal bacteriestammen is aangetroffen, lijken de resultaten tot nu toe er op te wijzen dat een kleine groep van ongeveer veertig soorten verantwoordelijk is voor ongeveer tachtig procent van alle bacteriën in onze navel. De onderzoekers vermoeden daarom dat deze veertig soorten de inheemse bewoners van onze navel zijn en de overige bacteriën als tijdelijke, mogelijk pathogene, bewoners. Waar navelstaren al niet goed voor is…

Bron:
Belly button biomes begin to blossom, New Scientist (2011)

Escherichia coli. Kunnen we nu eindelijk een veilige variant ontwikkelen?

Onaardse bacterie gemaakt

Letterlijk alle leven zoals wij dat op aarde kennen, kent DNA dat uit vier bouwstenen bestaat: adenine, guanine, thymine en cytosine. Nu, voor het eerst in vele miljarden jaren, is er een bacterie ontstaan waarvoor dat niet geldt. Wat bezielt de onderzoekers? Wel, omdat een afwijkend DNA opmerkelijk prettige gevolgen heeft…

DNA-letter veranderd
DNA bestaat uit een miljoenen eenheden lange reeks van paren van deze vier bouwstenen voor, die in groepjes van drie voor bepaalde aminozuren coderen. Deze aminozuren vormen weer de bouwstenen voor eiwitten, waar levende wezens voor het grootste deel uit bestaan. De vier bouwstenen komen altijd in paren van twee (adenine + thymine en guanine + cytosine) voor, die onderling gewisseld kunnen worden (de zogeheten baeparen). De onderzoekers hebben één van deze vier basen, thymine, vervangen door de stof 5-chlorouracil. Uracil is de base die in RNA (de evolutionaire voorganger van DNA, denken onderzoekers; RNA is essentieel in cellen als boodschapperstof ) voorkomt in plaats van het DNA-alternatief thymine. Omdat 5-chlorouracil zo sterk lijkt op uracil (er is alleen een waterstofatoom vervangen door een chlooratoom) , is de stof dodelijk giftig voor alle leven.

Escherichia coli. Kunnen we nu eindelijk een veilige variant ontwikkelen?
Escherichia coli. Kunnen we nu eindelijk een veilige variant ontwikkelen?

Dodelijk gif wordt vitamine
De Duitse, Belgische en Franse onderzoekers maakten bij hun werk gebruik van een techniek, ontwikkeld door onderzoeksleider Rupert Mutzel van de Vrije Universiteit Berlijn en die veel lijkt op wat Felisa Wolfe-Simon deed met de arsenicumbacterie. Grote populaties bacteriën worden gedurende lange tijd gekweekt in aanwezigheid van een giftige chemische stof – hier 5-chlorouracil – in concentraties die net niet dodelijk zijn. Op deze manier selecteerden ze de bacteriestammen die in staat zijn de stof te overleven. In reactie hierop wordt de concentratie van de giftige stof opgevoerd, waardoor de selectiedruk constant blijft. Hiervoor werd een E. colistam (u weet wel, van EHEC) gebruikt die zelf niet in staat zijn de stof thymine te produceren. Naarmate de concentratie van de stof 5-chlorouracil werd opgevoerd, werd de bacterie als het ware gedwongen om 5-chlorouracil te gebruiken in plaats van thymine. Na ongeveer duizend generaties bacteriën (bij de mens zou dat ongeveer twintig- tot dertigduizend jaar geduurd hebben, bij E.coli bacteriën duurt dat ongeveer twee weken) kregen de onderzoekers zo een E-colivariant die niet meer van thymine leeft, maar van 5-chlorouracil. Wat ooit een dodelijk gif was, is nu absoluut noodzakelijk voor de bacterie geworden om in leven te blijven.

Hiervoor deden zich de nodige ingrijpende mutaties voor in het DNA van de E.coli bacterie. Deze mutaties worden in vervolgstudies bestudeerd.

Genetische manipulatie kan kunstmatige plagen opleveren
Een groot gevaar bij genetische manipulatie is dat genetisch gemanipuleerde organismen hun genen overdragen aan andere organismen in de vrije natuur. Een berucht voorbeeld zijn genetisch gemanipuleerde gewassen die resistent zijn tegen bepaalde onkruiddoders. Er zijn gevallen bekend waarbij deze gewassen zich kruisten met wilde verwanten. Er ontstonden zo superonkruiden waarbij het herbicide niet meer werkte. Bij bacteriën is dit probleem nog groter. Bacteriën den namelijk aaan “bacterieseks” waarbij de ene bacterie genetisch materiaal injecteert in een andere bacterie. Soms zelfs van een totaal ander geslacht. Zo springen resistenties tegen bepaalde antibiotica snel over van de ene bacteriesoort naar de andere.

In laboratoria wordt gewerkt aan “superbacteriën” die veel beter zijn dan natuurlijke bacteriën in het energie halen uit bepaalde sto9ffen. Uiteraard is het laatste wat je wil dat die in de vrije natuur terecht komen. Deze bacteriën zouden hun DNA aan wilde bacteriën kunnen overdragen en zo in principe verwoestende plagen kunnen veroorzaken. Denk aan bacteriën waarmee uit de houtbestanddelen lignine en cellulose ultraefficiënt biobrandstof geproduceerd zou worden. In principe kan een dergelijke bacterie onze bossen in plassen benzine veranderen. Geen prettig vooruitzicht. Omdat bacteriën zo extreem klein zijn, is het onmogelijk om te voorkomen dat er af en toe genetisch gemanipuleerde bacteriën buiten het laboratorium terecht komen.

Synthetisch DNA voorkomt superbacterie
Synthetisch DNA kan dit probleem oplossen. Bacterieseks werkt uiteraard niet meer als het DNA van synthetische bacteriën fundamenteel anders is dan dat van normale bacteriën. Bacterieseks heeft dan een nogal dodelijk gevolg voor de sekspartner. Ook komt de stof 5-chlorouracil niet van  nature voor, alleen als het in een laboratorium wordt toegediend. Erg ver zal het genetisch gemanipuleerde organisme niet komen: zodra het zich vermenigvuldigt sterft het, omdat het DNA niet gekopieerd kan worden. Hiermee is genetische manipulatie dus essentieel veilig geworden.

Bronnen:
Bacterium Engineered With DNA in Which Thymine Is Replaced by Synthetic Building Block, ScienceDaily, 2011
Philippe Marlière, Julien Patrouix, Volker Döring, Piet Herdewijn, Sabine Tricot, Stéphane Cruveiller, Madeleine Bouzon, Rupert Mutzel. Chemical Evolution of a Bacterium’s Genome. Angewandte Chemie International Edition, 2011

Staphylococcus aureus is niet opgewassen tegen de nano-sloopkogeltjes. Bron: IBM

Nanokogels slopen multiresistente bacteriën

Onderzoekers hebben een fundamenteel nieuwe klasse van mogelijke medicijnen ontwikkeld die weinig heel laten van veel antibiotica-resistente bacteriën en schimmels. Nee, geen ingewikkelde biochemie deze keer. Wel een slim en visionair idee.

Antibiotica steeds minder effectief
Antibiotica hebben veel levens gered en zijn één van de grootste ontdekkingen ooit door medische onderzoekers gedaan. Helaas worden na decennia van antibiotica-misbruik, bacteriën nu resistent tegen het ene antibioticum na het andere. Er zijn nu zelfs al bacteriestammen die alleen met giftige, zeer gevaarlijke antibiotica als tigecycline zijn te behandelen. Moeten we niet een heel andere klasse medicijnen proberen te ontwikkelen?

Moleculair stekelvarken

Staphylococcus aureus is niet opgewassen tegen de nano-sloopkogeltjes. Bron: IBM
Staphylococcus aureus is niet opgewassen tegen de nano-sloopkogeltjes. Bron: IBM

Dit laatste is precies wat een groepje onderzoekers van IBM heeft gedaan. James Hedrick en zijn collega’s op het IBM lab van Almaden in San Jose, Californië, ontwikkelden iets dat je het beste kan vergelijken met een kogel op nanoniveau. Hedrick en zijn team gaan uit van een polymeermolecuul dat uit drie delen bestaat. In het centrum een hydrofiel gedeelte (dat water aantrekt) en aan beide uiteinden een hydrofoob (dus waterafstotend) molecuul. Wanneer deze polymeer opgelost wordt in water, ontstaan een soort bolletjes, omdat de sterke aantrekking tussen watermoleculen alle hydrofobe moleculen op een kluitje drijft.  Echter: het andere hydrofobe uiteinde zweeft nog steeds vrij rond. Wat ontstaat heeft nog het meeste weg van een moleculair stekelvarken dat als het ware op zoek is naar een vetrijke omgeving. De vrijzwevende hydrofobe uiteinden van de polymeren worden door de sterke aantrekkingskracht tussen de watermoleculen, een hydrofobe omgeving ingeperst.

Multiresistente grampositieve bacteriën maken geen schijn van kans
Dat is uiterst slecht nieuws voor bacteriën, vooral grampositieve bacteriën. Grampositieve bacteriën hebben namelijk een celwand die uit een vettig laagje bestaat. De nanodeeltjes boren zich in dit laagje en prikken zo de bacterie lek. De deeltjes trekken nog meer polymeren aan, waardoor het gat snel groeit. Uitgerekend grampositieve bacteriën geven de meeste problemen met antibiotica-resistentie. Een berucht voorbeeld van een grampositieve bacterie: de in ziekenhuizen zeer gevreesde MRSA. Gramnegatieve bacteriën hebben een dikke celwand en kunnen worden aangepakt met antibiotica die voorkomen dat de chemische stoffen die in deze celwand voorkomt, wordt aangemaakt. Daardoor kunnen deze bacteriën zich niet meer delen. Grampositieve bacteriën ontsprongen deze dans – tot nu toe.

Veilig voor gebruik in mensen?
Het probleem met deze techniek is dat ook menselijke cellen een vettig celmembraan hebben. Eerdere pogingen om op deze manier af te rekenen met grampositieve bacteriën strandden daarom, omdat ook menselijke cellen door de nanodeeltjes werden vernietigd. Experimenten in vitro, met losse menselijke bloedcellen en ook experimenten met levende muizen die werden geïnjecteerd met de nanodeeltjes, laten hier echter zien dat alleen de bacteriën het afleggen. De reden: de negatieve elektrische lading van menselijke cellen is veel sterker dan die van bacteriën. Hierdoor worden alleen de bacteriecellen doorboord. De muizen overleefden de behandeling en toonden ook geen ziekteverschijnselen.

Klinische proeven starten op redelijk korte termijn
IBM is geen farmaceutisch bedrijf, dus plant zelf niet de nanodeeltjes als medicijn op de markt te brengen. Wel wordt nu onderzoek gedaan naar methoden om de productie van de deeltjes op te schalen. Er is ongeveer twintig kilogram van het materiaal nodig voor klinische proeven op patiënten. Volgens de auteurs kunnen deze verbindingen voor weinig geld worden gemaakt [2]. Het jachtseizoen op killers als MRSA is dan definitief geopend. Voor een bacterie is het namelijk veel lastiger om hier tegen resistentie te ontwikkelen.

Bronnen:
1. New Type of Drug Kills Antibiotic-Resistant Bacteria, MIT Technology Review (2011)
2. F. Nederberg et al., Biodegradable nanostructures with selective lysis of microbial membranes, Nature Chemistry (2011)

Mycoplasma is een nogal nare groep bacteriën. Nu blijkt deze zelfs het Human Genome Project te hebben geïnfecteerd...

Digitaal menselijk genoom blijkt geïnfecteerd

Zelfs onze computers zijn niet meer veilig voor bacteriën. Het menselijk genoom project blijkt vervuild met mycoplasma-DNA. Dit heeft verstrekkende gevolgen.

DNA-vervuiling
Al eerder in 2011 was bekend dat een vijfde deel van de niet-menselijke genoomdatabases vervuild zijn met menselijk DNA, vermoedelijk afkomstig van de onderzoekers zelf.

Mycoplasma is een nogal nare groep bacteriën. Nu blijkt deze zelfs het Human Genome Project te hebben geïnfecteerd...
Mycoplasma is een nogal nare groep bacteriën. Nu blijkt deze zelfs het Human Genome Project te hebben geïnfecteerd...

Naar nu blijkt, is ook het menselijk genoom zelf vervuild geraakt. Bill Langdon van het Uiiversity College London en Matthew Arno van Kings College London zeggen dat ze DNA-sequenties van mycoplasma-bacteriën hebben aangetroffen in de DNA-map van het menselijk genoomproject. Mycoplasma’s behoren tot de kleinste bacteriën bekend. De organismen kunnen alleen bestaan in levende cellen van bijvoorbeeld mensen.

Deze vervuiling heeft verstrekkende gevolgen. Biotechbedrijven gebruiken de menselijk-genoom database om DNA chips te fabriceren die meten welke menselijke genen aanwezig en actief zijn. Langdon en Arno zeggen nu dat ze mycoplasma-DNA hebben aangetroffen in twee commercieel verkrijgbare DNA chips. Iedereen die deze chips gebruikt om de expressie van menselijke genen te meten meet onbewust ook de genexpressie van mycoplasmagenen.

In sommige opzichten is dit geen verrassing. “Het is algemeen bekend dat infecties met mycoplasma’s veel voorkomen in laboratoria die zich bexig houden met moleculaire biologie,” aldus Langdon en Arno.
Met enig geluk zal deze alarmerende ontdekking in het menselijk genoom de belangstelling wekken van onderzoekers.

Worden biologische organismen nu ook computervirussen?
Een zeer belangrijke vraag is uiteraard de aard van deze vorm van informatieoverdracht. Deze mycoplasmagenen zijn duidelijk succesvol in het zichzelf voortplanten in silico. Een mogelijkheid is dat we hier een volkomen nieuw terrein voor mogelijke infecties gaan zien: biologische organismen die in staat zijn zichzelf op de een of andere manier om te zetten in besmettelijke software. Al eerder beschreven we de mogelijkheid dat digitale virussen in de toekomst ook de gezondheid gaan bedreigen via mechanische implantaten.

Hier kunnen genen die zichzelf met succes vermommen als menselijk (of als andere organismen) zich verplaatsen van de ene database naar de andere? Als we dit als virtuele infectie zien, kunnen we onze borst in de nabije toekomst nat maken wat betreft virtuele evolutie.

Hoe zouden we dit probleem kunnen oplossen?
Het besmettingsniveau en de manier waarop het zich verspreidt, suggereert op het eerste gezicht dat onderzoekers de strijd om besmettingen te elimineren aan het verliezen zijn. “We vrezen dat de huidige instrumenten niet in staat zijn genen te onderscheppen die de ‘silicium barrière’ genomen hebben”, aldus de onderzoekers.

Het meest huiveringwekkend van allemaal is dat Langdon en Arno wel eens alleen het topje van de ijsberg kunnen hebben blootgelegd. “Nu we twee verdachte DNA sequenties hebben gevonden, is de kans groot dat het gepubliceerde “menselijke genoom” er meer bevat”, aldus de twee auteurs. Als virtuele infectie echt zo'[n groot probleem is als Arno en Langdon suggereren, zullen we databases met een soort antivirus software moeten uitrusten, een vorm van virtueel immuunsysteem. maar ook it zal een evolutionaire wapenwedloop starten, waarbij vooral genen die het beste in staat zijn de veiligheidseisen te omzeilen zullen overleven.

Aan de andere kant: pas nu is het probleem opgedoken en pas nu kan de tegenaanval worden ingezet. De makkelijkste manier om het menselijk DNA te zuiveren is uiteraard om de uitgangsvoorraad van wat nu bekend is als menselijk DNA, uit te breiden. Gelukkig neemt de rekensnelheid van computers en de snelheid waarmee DNA wordt geanalyseerd elk jaar extreem snel toe. In 2011 kost het ongeveer 50 000 dollar om het volledige DNA van één mens in kaart te brengen[2] en de kostprijs zakt nog steeds extreem snel. Als we van, zeg, tienduizend mensen met voorouders uit totaal verschillende delen van de wereld, het volledige genoom weten, kunnen we alle afwijkende, niet-menselijke genen er op die manier uitfilteren. Gelukkig is de kans vrij klein dat mycoplasma’s vrijwel alle mensen geïnfecteerd hebben (en zo ja, dan is dat pas echt een probleem). Het moet dus in principe mogelijk zijn alle DNA er uit te halen.

Zou het genoom van de mycoplasma-bacterie in zijn geheel in ons DNA zitten?
Er is nog een mogelijkheid waar deze onderzoekers niet aan gedacht hebben. Mogelijk zijn de mycoplasma’s in staat om stukken van hun DNA in het menselijk genoom te injecteren. Of hebben ze dat in het evolutionaire verleden gedaan. Vergeet niet dat mycoplasma’s obligate parasieten zijn. Zonder een levende gastheer kunnen deze mini-bacteriën niet overleven. Ook is het mycoplasma-DNA (M. genitalium scoort minder dan 600 000 baseparen[3]) veel kleiner dan dat van een mens, plm. 3 miljard baseparen. Een koud kunstje om dit genoom ergens in een chromosoom te verstoppen en pop, de bacterie lift mee. Vergeet ook niet dat mycoplasma’s ervan verdacht worden kanker te veroorzaken[5] en beschadigingen in chromosomen veroorzaken[6]. Wat hiermee overeen zou stemmen.

Dit zou niet uniek zijn. Veel virussen beheersen dit kunstje ook. Ongeveer acht procent van ons DNA bestaat uit virussen[4]. De plantenbacterie Agrobacterium tumefaciens, die net als mycoplasma’s in de cellen leeft (en daar bacteriekanker veroorzaakt) wordt vaak gebruikt om vreemde genen in het DNA van planten te injecteren.

En een miljard jaar leven als parasiet is lang. Erg lang. Lang genoeg om een uiterst doortrapte evolutionaire strategie te ontwikkelen…

Bronnen
1. W. B. Langdon, M. J. Arno, More Mouldy Data: Virtual Infection of the Human Genome, Arxiv.org [2011]
2. Mapping a Human Genome, via an eBay Auction, New York Times [2011]
3. Su, Chung J. en Baseman, Joel B., Genome size of Mycoplasma genitalium, Journal of Baxcteriology [1990]
4. UT Arlington genome biologist reports on surprising evolutionary discovery, University of Texas, Arlington [2011]
5. Huang S, Li JY, Wu J, Meng L, Shou CC., Mycoplasma infections and different human carcinomas, World J Gastroenterol. [2001] Apr;7(2):266-9
6. Chernova OA, Volkova EN, Chernov VM, Chromosome aberrations induced by mycoplasma infections in human peripheral blood lymphocytes, Genetika [1996]

Oude bemoste bomen zijn de grootste stikstofbronnen van het bos. Bron: bterrycompton, Flickr

‘Mosbacteriën bemesten bomen’

Wacht nog even met het kappen van die bemoste oude bomen. Mosbacteriën blijken namelijk twee keer zoveel stikstof vast te kunnen leggen als de bacteriën in de bodem. Zouden we deze bacteriën kunnen gebruiken voor biologische landbouw?

Mos als kunstmest

Oude bemoste bomen zijn de grootste stikstofbronnen van het bos. Bron: bterrycompton, Flickr
Oude bemoste bomen zijn de grootste stikstofbronnen van het bos. Bron: bterrycompton, Flickr

Een nieuwe studie door Dr. Zoë Lindo, een post-doc fellow van de faculteit Biologie van de McGill Universiteit en Jonathan Whiteley, a doctoraalstudent van dezelfde faculteit hebben aangetoond dat grote, oude bomen wel eens erg belangrijk kunnen zijn voor de gezondheid van bossen. Dit onderzoek toont aan dat er een essentieel verschil is tussen productiebossen met alleen jonge, snelgroeiende bomen en oudere bossen, waar veel eeuwenoude bomen voorkomen. Lindo’s onderzoek laat zien dat de interactie tussen oude bomen, mossen en cyanobacteriën de kringloop van nutriënten zo ondersteunen dat het bos van veel stikstof wordt voorzien.

Stikstofbinding kost veel energie
Onze lucht bestaat voor bijna viervijfde uit stikstofgas: moleculen die uit twee stikstofatomen. Het kost helaas extreem veel energie om de twee stikstofatomen uit elkaar te trekken omdat er een driedubbele atoombinding tussen zit. Planten lukt dat niet. Alleen bepaalde bacteriën krijgen dat voor elkaar, bijvoorbeeld de rhizobium-bacteriën in de wortels van vlinderbloemigen zoals erwten en bonen.  In een kunstmestfabriek wordt het energievretende Haber-Bosch proces gebruikt waarbij stikstof en waterstof met elkaar worden verhit. De ecologische relatie is ingewikkeld: de bomen bieden onderdak aan mos, dat weer onderdak biedt aan de cyanobacteriën die de stikstof vastleggen. Een belangrijk deel van ons energiegebruik komt voor rekening van stikstofbinding.

Stikstof uit cyanobacteriën in mossen
De groei en ontwikkeling van veel wouden wordt beperkt door een gebrek aan stikstof. Al eerder is gevonden dat cyanobacteriën in mossen op de bodem stikstof aan arctische wouden leveren, maar tot nu toe zijn cyanobacteriën niet bestudeerd in de kustbossen aan de Amerikaanse westkust of op de bovenkant van bomen. Lindo verzamelde met haar doctoraalstudent mos in bomen van vijftien tot dertig meter hoog en toonde aan dat cyanobacteriën op dertig meter hoogte  veel meer voorkomen en ook twee keer zoveel stikstof vastlegden als hun soortgenoten op de bodem.

Mos is cruciaal. De hoeveelheid stikstof van het bladerdek hangt af van de hoeveelheid mos die op bomen groeit. “Je hebt bomen nodig die groot en oud genoeg zijn, zodat hun schors dik genoeg is en ze gekoloniseerd worden door mos. Pas dan vestigen zich de stikstofbindende cyanobacteriën,” aldus Lindo. “Bomen beginnen pas met het vergaren van mos als ze ouder zijn dan een eeuw. Dus is vooral de dichtheid van oude bomen die begroeid zijn in mos belangrijk. We onderzochten bomen die naar schatting vijfhonderd tot achthonderd jaar oud waren.”

Cyanobacteriën als kunstmest
Mogelijk zijn deze bacteriën ook in te zetten in de landbouw, bijvoorbeeld door ze te laten groeien op landbouwgewassen of de bodem daartussen. Ze zouden hiervoor gesproeid kunnen worden.Dit zou veel kunstmest besparen en hiermee energie. Ook zou deze natuurlijke bemestingsmethode veel fossiele brandstofverbruik schelen. Op dit moment wordt veel aardgas gebruikt voor de productie van nitraatmeststoffen en ammoniummeststoffen. Zo gaat bijna de hele aardgasproductie van Bangladesh hieraan op.

Bronnen
1. Bacteria on Old-Growth Trees May Help Forests Grow, Science Daily
2. Z. Lindo en J.A. Whiteley, Old trees contribute bio-available nitrogen through canopy bryophytes, Plant and Soil, 2011

RNA transcriptase. Virussen maken dit enzym om RNA te vertalen in DNA en zich zo in gastheercellen te verstoppen.

Bacteriën kopiëren menselijke eiwitten over

Opmerkelijk genoeg blijken antibiotica-resistente bacteriën eiwitten van menselijke gastheren op de een of andere manier over te kunnen kopiëren. Hetzelfde effect doet zich ook voor in dieren als ratten. Wat is hier aan de hand?

Merkwaardige gelijkenis tussen bacterie-eiwit en menselijk eiwit
Van verschillende ziekmakende bacteriën (die tot verschillende bacteriegeslachten horen) is vastgesteld dat hun genen meer dan 95% op elkaar lijken. Dat is abnormaal veel. Gewoonlijk lijken bacteriële eiwitten van die van evolutionair ver van elkaar staande bacteriegeslachten maar twintig tot dertig procent op elkaar. Kleine veranderingen kunnen al een enorme invloed hebben op de bacterie en het ziekmakende vermogen.

RNA transcriptase. Virussen maken dit enzym om RNA te vertalen in DNA en zich zo in gastheercellen te verstoppen.
RNA transcriptase. Virussen maken dit enzym om RNA te vertalen in DNA en zich zo in gastheercellen te verstoppen.

In dit onderzoek richtte onderzoekster Mia Champion de aandacht op o-methyltransferase, omdat dit enzym veel bij meerdere hoog-pathogene bacteriëstammen van Francisella tularensis voorkomt.  Het gen dat o-methyltransferase beschrijft ligt dicht bij  een DNA-eiland waar veel pathologische genen liggen. Verschillende o-methyltransferase subtypes zijn aanwezig in verschillende Francisella tularensis ondersoorten. Verwante eiwitfamilies werden aangetroffen in de zoogdiergastheren en ook in soorten ziekteverwekkende bacteriën die fylogenetsich (dus evolutionair) sterk verschillen van Francisella, zoals mycobacteriën.

De onderzoeksgegevens lijkt te wijzen op een vorm van moleculaire mimicry. Dit verschijnsel is ook in de bacteriën Legionella en Coxiella aangetroffen.

Is evolutie de oorzaak van deze opvallende gelijkenis?
Er zijn enkele mogelijke verklaringen. De eerste, verreweg waarschijnlijkste en ook door de onderzoekster gevolgd, is dat door evolutie de eiwitten in de bacteriën dezelfde bouw hebben gekregen als die in de gastheer. Hoe meer de eiwitten in de bacterie op die van de gastheer lijken, hoe minder agressief het immuunsysteem op de eiwitten zal reageren.Dit is een moleculaire vorm van mimicry. Mimicry komt bij veel soorten voorkomt. Zo zijn er orchideeën waarvan het vruchtbeginsel precies lijkt op een vrouwelijke vlieg, om zo mannelijke vliegen over te halen te paren (en de bloem te bevruchten). Dit is dus verreweg de waarschijnlijkste verklaring, zeker gezien de tientallen miljoenen jaren van co-evolutie tussen gastheer en bacterie.

Worden eiwitten reverse engineered door de bacterie?
Een tweede, erg vergezochte verklaring, die veel verder gaat en in strijd is met de heersende dogma’s in de biochemie, is dat de bacteriën op de een of andere manier in staat zijn de eiwitten te reverse engineeren. In theorie kan het. Eiwitten zijn net als genen strengen. Je zou een eiwit door een enzym aminozuur voor aminozuur kunnen laten afbreken, hier het juiste stuk t-RNA bij laten zoeken, aan de hand daarvan via baseparing een RNA-streng coderen en die met RNA transcriptase vertalen in DNA. Sporen van een dergelijk mechanisme zijn nog nooit gevonden. RNA transcriptase komt alleen bij bepaalde virussen voor. En in de vorm van telomeer RNA transcriptase, waarmee de telomeren, stukjes niet-coderend RNA aan het eind van celchromosomen, worden verlengd. Een nogal verregaande theorie die niet erg waarschijnlijk is. Wel zou dit mechanisme een missing link vormen bij het ontstaan van het vroegste leven, zeker als hier op de een of andere manier RNA transcriptase vormende virussen bij betrokken zijn.

Bronnen
1. Science Daily, Deadly Bacteria May Mimic Human Proteins to Evolve Antibiotic Resistance
2. Mia Champion, Host-Pathogen O-Methyltransferase Similarity and Its Specific Presence in Highly Virulent Strains of Francisella tularensis Suggests Molecular Mimicry, PlosOne (2011)

Bacterie-internet. Er is niets nieuws onder de zon...

‘Bacteriën gebruiken draadloze radio’

Nobelprijswinnaar geneeskunde Luc Montagnier beweert dat bacteriën onderling communiceren met radiogolven. Tot voor kort werd dit categorisch uitgesloten: immers bacteriën zijn veel te klein om radiogolven te kunnen opvangen. Onderzoekers komen nu echter met een mechanisme dat zou kunnen werken: DNA-lussen die werken als moleculaire radiozenders.

Op het eerste gezicht lijkt het idee krankzinnig. Om radiogolven op te wekken heb je een elektrische geleider of sterk wisselend elektromagnetisch veld nodig. In de natuur zijn radiobronnen dingen als bliksemschichten, sterke magnetische velden zoals rond Jupiter of pulsars. Allan Widom en zijn collega’s van de Northeastern University in Boston en twee Indiase onderzoekers  hebben nu echter een manier uitgedokterd hoe bacteriën toch in staat zouden kunnen zijn radiogolven uit te wisselen, al blijft het echte grenswetenschap.

Bacteriën bevatten ronde lussen DNA: plasmiden. Zouden dit niet alleen genen, maar ook radio-ontvangers zijn?
Bacteriën bevatten ronde lussen DNA: plasmiden. Zouden dit niet alleen genen, maar ook radio-ontvangers zijn?

DNA als radioantenne
Hun verklaring: DNA-lussen. Veel DNA in bacteriën komt voor in de vorm van plasmiden of andere lussen. Ze hebben het gedrag van vrije elektronen die zich rond een dergelijke DNA-ring bewegen, gemodelleerd. De elektronen zitten dan opgesloten in die ring. Kwantummechanisch gezien krijgen ze dan bepaalde energieniveaus, vergelijkbaar met wat in normale atomen gebeurt. Hoe groter het gebied waarin de elektronen vrij kunnen bewegen, hoe kleiner de verschillen tussen de energieniveaus. Radiostraling bestaat uit fotonen met elk heel weinig energie, in de buurt van de energieniveaus in deze DNA-ringen.

‘Bacterie zendt radiostraling uit’
Widom en zijn collega’s berekenden dat de overgangsfrequenties tussen deze energieniveaus overeen komen met radiogolven tussen de 0,5, 1 en 1,5 kilohertz (tussen de 500 en 1500 trillingen per seconde: langgolvige radiostraling). Precies de radiostraling die Luc Montagnier in 2009 waargenomen heeft in E. Coli-bacteriën. Montagnier als persoon en zijn onderzoek zijn uiterst controversieel in biologische kringen. Eén geliefd argument van zijn collega’s om hem onderuit te halen, de afwezigheid van radiogolf-gevoelige structuren in bacteriën, blijkt met deze berekening echter verdwenen te zijn.

Bacterie-internet. Er is niets nieuws onder de zon...
Bacterie-internet. Er is niets nieuws onder de zon...

Bekend (en ook algemeen aanvaard in de biologische gemeenschap) is al wel dat bacteriën onderling communiceren met een soort stroomdraden op nanoschaal. Hiermee kunnen ze onderling elektrische energie uitwisselen (een bacterie in een elektronrijke omgeving kan deze naar een collega in een elektronarme omgeving sturen, wat beide veel energie oplevert) en ook signalen doorgeven. Een uiterst controversiële gedachte: zouden deze nanodraden ook als radiotransceivers werken?

Dit onderzoek uiterst controversieel noemen, is een enorm understatement. Wel is het welbekend dat bacteriën en andere celtypes elektromagnetische golven op hogere frequenties (o.a. licht) gebruiken om energie te verzenden en op te slaan. Als ook cellen radiogolven kunnen opwekken, is er geen reden waarom ze niet in staat zouden zijn gebruik te maken van deze golven. Want zeg nu zelf: radiogolven zijn uiterst handig. Zouden bacteriën ons ook op dit terrein voor zijn?

Al eerder veronderstelden we op Visionair dat misschien fagen, bacterievirussen, gebruik maken van radiogolven om boodschappen te ontvangen. Misschien zenden de DNA-ringen van actieve collega-bacteriën een signaal uit, waardoor de faag wordt ‘getriggerd’ als een nano-tijdbom om de gastheer-bacterie op te blazen, zodat hij een maximale kans heeft andere bacteriën te besmetten.

Bronnen
MIT Technology Review ArXiv Blog
Arxiv

Een faag injecteert de inhoud van de kop in een bacterie.

Soliton schakelt virus uit

Solitonen, kogelgolven, zijn golven die altijd op een kluitje blijven. Ze komen zelfs in eiwitten voor. Sommige zelfs voor zeer lange tijd. Is bio-energetica als principe dus minder gek dan veel mensen denken? Davydov-solitonen komen namelijk ook in eiwitten voor en zijn op dit moment een hot topic in de biochemie, de tak van scheikunde die zich met de processen in levende wezens bezig houdt.

Een faag injecteert de inhoud van de kop in een bacterie.
Een faag injecteert de inhoud van de kop in een bacterie.

Bacterie krijgt ebola
Ook bacteriën kunnen een virusziekte zoals ebola oplopen. Sterker nog: er zijn veel meer bacterievirussen dan alle andere soorten virussen bij elkaar. Voor een bacterie heeft besmetting met een virus doorgaans akelige gevolgen, omdat bacteriën maar uit één cel bestaan.

Neemt een faag, een bacterievirus, een bacterie over, dan is het doorgaans einde oefening voor die bacterie. De gekaapte bacterie produceert duizenden kopieën van de faag en scheurt open als een dode huls.

Gelukkig zijn er heel erg veel bacteriën: om precies te zijn rond een kwadriljard (dat is een één met zevenentwintig nullen er achter), evenveel als er watermoleculen in twee emmers water zitten, of, iets indrukwekkender, samen met een lengte van honderdduizend lichtjaar, genoeg om vier keer een levende ketting van de aarde naar hartje melkweg te vormen. Bacteriën (en hun bacterieachtige neefjes, de archaeae) zullen dus niet snel uitsterven.

‘Soliton brengt virus in slaap’
Sommige fagen kunnen tijdelijk in een slaaptoestand raken. Als een bacterie deelt, wordt de faag weliswaar gekopieerd, maar blaast deze de bacterie niet op. Tot nu toe was een raadsel wat die slaaptoestand veroorzaakt en hoe deze werd beëindigd. Onderzoekers denken nu te weten waarom. In de moleculaire structuur van de lambda faag (die de darmbacterie E. coli besmet) komt een paar solitons voor dat elkaar vernietigt als ze elkaar tegenkomen.

Zodra dat gebeurt, door injectie van energie bijvoorbeeld, verandert de faag van een slapende, lysogene vorm in een lytische vorm (de vorm waarin hij de bacterie overneemt en zichzelf duizenden maken kopieert). Dit is een theoretische voorspelling. Is de vorm van virussen  daadwerkelijk zoals wiskundig onderzoekers Andrei Krokhotin en Antti J. Niemi denken, dan zou dit een experimentele bevestiging opleveren.

Inderdaad zijn fagen extreem regelmatig en heeft de vorm van een faag wel wat wel van een structuur met een antenne. je kan je voorstellen dat het gedrag van bacterién verandert als er veel andere bacteriën in de buurt zijn. Zou deze misschien dienen om energie met een bepaalde frequentie op te vangen, die de faag het signaal geeft dat er veel slachtofferbacteriën in de buurt zijn en de tijd nu is aangebroken om toe te slaan?

Bronnen
Arxiv
ArxivBlog