Dappere nieuwe bacteriële wereld

Ondanks 300 jaar turen door microscopen, het kweken van bacteriën in cultuur en het screenen van bodem, lucht en water op nieuwe microbiële soorten, hebben wetenschappers duidelijk veel van het leven op aarde over het hoofd gezien. Dankzij krachtige nieuwe onderzoekstools ontdekken bacteriologen dat de levende wereld plotseling veel groter en complexer is dan ze zelfs tien jaar geleden hadden gedacht. De bevinding is misschien qua omvang vergelijkbaar met de eerste glimp van de Nederlandse microscopist Antonie van Leeuwenhoek van microben - hij noemde ze animalcules - die onder zijn ruwe glazen lenzen ronddobberden.

Omdat bacteriën in wezen niet detecteerbaar waren, tenzij ze in cultuur konden worden gekweekt, zijn de meeste soorten - die in moeilijk te repliceren omgevingen voorkomen - in zekere zin verboden terrein. Stel je voor dat ons hele begrip van biologie gebaseerd zou zijn op bezoeken aan dierentuinen, zegt Norman R. Pace, een bioloog aan de University of California, Berkeley. Dat is analoog aan onze situatie met betrekking tot het begrijpen van de microbiële wereld.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van april 1997

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Melvin Simon, voorzitter van de afdeling biologie van het California Institute of Technology, schat dat ongeveer 99 procent van de bacteriën die er zijn nog niet kan worden gekweekt in laboratoriumcultuurschalen. Dat komt omdat wetenschappers vaak niet de precieze combinatie van omstandigheden, waaronder zuurstof, temperatuur en licht, kunnen bepalen die microben nodig hebben en omdat het moeilijk is om deze vereisten in één keer te simuleren om ze gelukkig te maken. Ongeveer 6000 soorten micro-organismen zijn formeel beschreven. En tot nu toe, zegt hij, is de rest voor ons onzichtbaar gebleven.

De sleutel om een ​​eerste glimp van deze nieuwe wereld op te vangen, was het leren isoleren, versterken en bestuderen van het genetische materiaal van een organisme rechtstreeks uit de omgeving zonder het organisme zelf te kweken. Door moleculaire instrumenten te gebruiken die selectief de zeer specifieke genen van een bacterie uit een bouillon van DNA halen, kunnen wetenschappers nu snel nieuwe organismen identificeren, hun eigenschappen onderzoeken en hun verwantschap met reeds bekende organismen bepalen.

Prominent onder de nieuwe moleculaire hulpmiddelen is de gen-amplificatietechniek genaamd PCR, de polymerasekettingreactie. Met PCR kunnen specifieke genen eindeloos worden geïsoleerd en gekopieerd, zodat er genoeg beschikbaar komt voor gedetailleerd onderzoek, bijvoorbeeld van de DNA-sequentie van een gen. En het is in de sequentie - eigenlijk de verschillen in sequenties van het ene organisme tot het andere - dat de identiteit van de microben kan worden gezien.

Samen met PCR omvatten de nieuwe tools snelle sequencing-technologie, snelle computerverwerking van gen-sequentiegegevens en steeds nauwkeurigere elektroforesetechnologie, die genen in een gel of vloeistof elektrisch scheidt op grootte.

Een van de belangrijkste analytische doelen van dergelijk werk is het alomtegenwoordige RNA (ribonucleïnezuur) in ribosomen, de kleine ronde lichaampjes die levende cellen gebruiken als eiwitopbouwende apparaten. Alle cellen hebben ribosomen en omdat het RNA dat ze bevatten enigszins verschilt van soort tot soort, dient het als een betrouwbare marker - een soort moleculaire dog tag - die kan worden gebruikt voor het identificeren, classificeren en analyseren van elke nieuwe microbe.

De verrassende bevinding is dat overal waar onderzoekers deze nieuwe technieken toepassen, ze vreemde nieuwe bacteriën tegenkomen, in overvloed en diversiteit die niemand echt had verwacht. Bijvoorbeeld, zoals Paul Dunlap, een associate scientist bij de Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts, uitlegt in de Woods Hole-publicatie Oceanus, is het microbiële leven in de zee zo ongelooflijk overvloedig dat in sommige gevallen organismen in buitengewoon hoge aantallen voorkomen, tot ongeveer 100 miljard per milliliter zeewater. In feite zijn organismen met een diameter van minder dan 2 micron die in de zee leven, zo overvloedig dat ze 95 procent van de massa van alle vormen van leven in de oceanen van de wereld uitmaken.

Sedimentaire bodems, zelfs de oude modder die op de diepzeebodem is afgezet, leven ook enorm met micro-organismen. Recente boringen in de bodem van de Zee van Japan, bijvoorbeeld, leverden monsters op van sedimentlagen die 500 meter diep waren begraven en die miljoenen organismen in elke gram grond bevatten.

Nieuwe rijken

De bevindingen suggereren dat zelfs een klein slokje water, of een klein stukje grond, genoeg bacteriën bevat - de meeste waren voorheen onbekend - om squadrons onderzoekers jarenlang bezig te houden. Er zijn nieuwe genen, nieuwe enzymen en nieuwe functies waar we niets van weten, merkt Simon op, en de gegevens stapelen zich te snel op om in detail te worden geanalyseerd. Zij (de microben) hebben zelfs een aantal verschillende soorten celmembranen, wat suggereert dat er hele nieuwe gebieden van de biologie zijn om te verkennen.

Omdat elk organisme zijn eigen genen, karakteristieke biochemie, structuur en gedrag heeft, is het industriële potentieel enorm. Elke soort herbergt tussen de 1.000 en 5.000 genen, en hun biochemische eigenschappen zijn voor het grootste deel nog onbekend. Het is dus waarschijnlijk dat er nieuwe enzymen, voedingsmiddelen, medicijnen, chemicaliën, materialen en processen zullen worden ontdekt. Bacteriën die in de vijandige omgeving van warmwaterbronnen kunnen leven, hebben bijvoorbeeld speciale enzymen opgeleverd die prachtig presteren bij hoge temperaturen, die van pas kunnen komen bij chemische verwerking. Ook, zegt Pace, maken sommige micro-organismen stoffen aan die zich hechten aan oppervlakken in water dat bijna kookt, wat waardevol kan zijn bij bepaalde productieprocessen.

In evolutionaire termen, merkt Simon op, zou het geen verrassing moeten zijn dat er zoveel verschillende soorten bacteriën bestaan, zelfs op plaatsen waar ze ooit onwaarschijnlijk leken. Immers, gedurende 3 miljard jaar werd de wereld bevolkt door bacteriën en waarschijnlijk heel weinig anders. Deze eencellige organismen hebben dus veel meer tijd gehad om te evolueren dan de meeste andere wezens op aarde.

zich verstoppen