Bacteriën organiseren geen etentjes en vertellen geen grappen, maar zijn op hun eigen manier sociaal. Wanneer de aanwezigheid van voedsel hen de kans geeft om te groeien, zich voort te planten en te evolueren, zullen ze snel, zelfs gretig, gemeenschappen vormen. Net als een havenstad die langs een waterweg ontstaat, zal een diverse gemeenschap van bacteriën en andere microben een goede situatie voor groei herkennen en zichzelf opbouwen.

Elke bacteriestad heeft een oorsprongsverhaal. Een vat wijn dat maandenlang fermenteerde, een biofilm in de longen van een patiënt met cystische fibrose en een zwavelrijke warmwaterbron begonnen allemaal met een reeks stichtende cellen die vervolgens een robuust netwerk van op elkaar inwerkende soorten vormden. Deze gemeenschappen kunnen biochemische functies vervullen die geen enkele soort op zichzelf kan vervullen. Er is een quorum van nodig Lactokok en Streptococcus soorten die samenwerken om te geven cheddar kaas zijn textuur en smaak. Verschillende combinaties van darmmicrobiota kunnen dat doen versterken of afzwakken de effectiviteit van een pil.

Er zijn echter geen duidelijke regels om uit te leggen hoe een bacteriële gemeenschap zich verzamelt of waarom bepaalde soorten gedijen. De meeste biologen catalogiseren, wanneer ze worden geconfronteerd met het beschrijven van een gemeenschap van organismen, de lijst met aanwezige soorten. Maar het aantal bacteriesoorten is zo groot, hun levensduur zo kort en de verschillen tussen twee soorten zo klein dat soortnamen niet noodzakelijkerwijs bruikbare informatie opleveren.

Dat is de reden waarom een ​​groep natuurkundigen die microbiologen zijn geworden, op grote schaal technieken voor genoomsequencing probeert te gebruiken om universele regels bloot te leggen die bacteriële gemeenschappen zouden kunnen beheersen – een big-data-benadering van microben. In plaats van soorten bij naam te noemen, concentreren ze zich op wat de organismen doen, met als doel te herkennen welke rollen essentieel zijn binnen een bepaalde gemeenschap.

“Er is sprake van redundantie – twee soorten kunnen bijvoorbeeld dezelfde functie vervullen – en dezelfde soort kan verschillende functies vervullen, afhankelijk van of je de omgeving verandert,” zei Otto Cordero, een microbioloog aan het Massachusetts Institute of Technology. “Taxonomie is niet zo informatief als functie.”

Vorig jaar werd in het laboratorium van Cordero onderzoek gedaan onder leiding van de microbioloog Matti Gralka identificeerde een reeks microbiële functies die voorspeld konden worden zonder soortinformatie. Na het karakteriseren van de stofwisseling van 186 verschillende bacteriestammen verzameld uit de Atlantische Oceaan, ontdekte hij dat hij de fundamentele voedselvoorkeuren van een bepaalde microbe alleen op basis van zijn genoom kon voorspellen.

Dit patroon stelt onderzoekers in staat de gensequenties te omzeilen die betrokken zijn bij het afbreken van de ene of de andere voedselbron. Het team van Gralka ontdekte dat ze het favoriete voedsel konden voorspellen door simpelweg de moleculaire samenstelling van het genoom te meten. De bevindingen zijn gepubliceerd in Natuur Microbiologie.

Terwijl het vakgebied nog in de kinderschoenen staat, zoeken de microbiële ecologen naar manieren om snel natuurlijk voorkomende microbiële gemeenschappen te beoordelen en te beschrijven, zowel in een wilde omgeving als in een ziekenhuis. Door een theorie over microbiële assemblage te ontwikkelen, hopen ze dat ze de grotendeels onzichtbare en snel veranderende microscopische ecologieën die zich overal om ons heen ontvouwen, kunnen leren zien.

Een veld zonder theorie

De microbiologie werd eeuwenlang beperkt door de mate waarin wetenschappers konden zien wat er voor hen lag. Zelfs als een microbioloog begin jaren 2000 een bacteriële gemeenschap op een petrischaaltje gooide, was het een enorme opgave om de diverse soorten, ondersoorten en stammen daarin te identificeren. Er waren te veel organismen met elkaar vermengd, die in de loop van de tijd ebben en stromen naarmate de beschikbare voedselbronnen verschoven en soorten leefden en stierven. Wetenschappers zouden weinig meer kunnen doen dan individuele kolonies één voor één identificeren op basis van vorm, kleur, morfologie en voedingsbehoeften.

Tot de afgelopen jaren beschikte dit veld over weinig bepalende theorieën om uit te leggen hoe microbiomen zich assembleren, en zonder stevige axioma's voor het interpreteren van experimentele resultaten. In 2007 schreef een groep microbiologen in Nature Reviews Microbiologie dat deze afwezigheid van theorie voortkwam uit zowel een gebrek aan gegevens als een veldbreed onvermogen om de ecologische theorie toe te passen op de microscopische wereld. Zonder theorie heeft een wetenschappelijk veld geen structuur, geen vorm en geen voorspellende kracht, betoogden zij. Een microbiële ecoloog zou elke opmerking over een gemeenschap kunnen maken; zonder theorie die het belang ervan verklaart, zou alles waar kunnen zijn.

“Soms klagen we dat de dingen in de microbiële ecologie niet verrassend zijn”, zegt hij Tijdelijke afbeelding voor Alvaro Sanchez, een microbiële ecoloog bij het Instituut voor Functionele Biologie en Genomica, een gezamenlijk instituut van de Spaanse Nationale Onderzoeksraad en de Universiteit van Salamanca. “We hebben geen sterke priors. We hebben geen voorspellende theorie, en dus is niets verrassend.”

Nieuwe genetische hulpmiddelen hebben echter geleid tot nieuwe manieren om microbiële gemeenschappen te beschrijven. Sanger-sequencing, decennialang de snelste methode voor gensequencing, kon microben slechts één voor één identificeren. Halverwege de jaren 2000 kwam high-throughput sequencing-technologie beschikbaar, en in de jaren 2010 werd deze redelijk betaalbaar. Microbiologen konden soorten identificeren aan de hand van het DNA dat in het monster beschikbaar was.

Microbiële ecologen gingen er wild mee aan de slag. “Mensen hebben alles op een rij gezet”, zei hij Glen D'Souza, een microbiële ecoloog aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich. “Het veld werd gedomineerd door het beschrijven van wie daar was – deze bug zat in deze omgeving; deze bug zat in die omgeving.”

Plotseling onthulde een overvloed aan gegevens een tot nu toe onbekende microbiële diversiteit. In 2009 waren minder dan 1,000 bacteriële genomen volledig gesequenced. In 2014 waren dat er wel meer dan 30,000. Dat cijfer is sindsdien explosief gestegen: eind 2023 waren er 567,228 complete bacteriële genomen, gemakkelijk doorzoekbaar en beschikbaar voor kruisverwijzing. Tegenwoordig zijn bacteriën verantwoordelijk voor bijna 80% van alle beschikbare genomische gegevens.

“Mensen hadden gewoon geen idee hoeveel soorten er zouden zijn”, zegt Gralka, die nu zijn eigen laboratorium runt aan de Vrije Universiteit in Amsterdam. “Onder de microscoop kun je ze niet goed van elkaar onderscheiden.”

Het identificeren van individuele bacteriesoorten in een gemeenschap kan wetenschappers echter maar zoveel vertellen. Hun namen zeggen niet noodzakelijkerwijs veel over wat elke bug bijdraagt ​​of hoe de gemeenschap in elkaar steekt.

“Deze gemeenschappen zijn hoogdimensionaal”, zegt hij Jacopo Grilli, een theoretisch microbiële ecoloog en ex-fysicus bij het Abdus Salam International Center for Theoretical Physics in Triëst, Italië. “Als we [ze] proberen te begrijpen, moeten we omgaan met het feit dat er heel veel populaties, veel verschillende soorten zijn – wat ‘soort’ ook betekent – ​​in deze gemeenschappen. Al deze soorten hebben allemaal hun eigen bijzonderheden, en op de een of andere manier bestaan ​​ze naast elkaar.”

In 2018 te Wetenschap papier van Sanchez en zijn team gaven microbiologen toestemming om hun denken te vereenvoudigen. Hun baanbrekende onderzoek toonde aan dat als je een stapje terug deed en zeer specifieke details, zoals exacte soortnamen, wegsmelt, je de logica van een bacteriële gemeenschap beter kon begrijpen, alsof je van een afstand naar een abstract schilderij keek.

Net als Grilli was Sanchez natuurkundige voordat hij zich tot de microbiële ecologie wendde. “Ik besloot te gaan werken aan ecologie en microbiële gemeenschappen, omdat ik merkte dat dit op kwantitatief niveau nog niet zo goed bestudeerd was als de evolutie,” zei Sánchez.

Voor het onderzoek kweekte zijn laboratorium wilde bacteriën gekweekt uit dode bladeren en grond rond New Haven, Connecticut. Ze ontdekten dat, gegeven dezelfde reeks omgevingsomstandigheden – dezelfde koolstofbronnen, temperatuur, zuurgraad enzovoort – elke microbiële gemeenschap ongeveer dezelfde functionele samenstelling zal bereiken, ongeacht hoe deze is begonnen. In zijn experimenten verschenen bij elke populatie dezelfde niches die keer op keer werden gevuld, maar niet noodzakelijkerwijs door dezelfde soort bacteriën.

Het onderzoek veranderde de manier waarop microbiologen naar de gemeenschap keken. Toen Sanchez gemeenschappen vergeleek die uit dezelfde omgeving waren bemonsterd, waren de namen van de bacteriën altijd verschillend, zei D'Souza. “Maar als je kijkt naar de functionele geninhoud, zoals wie doet wat? Dat is verrassend vergelijkbaar”, zei hij. “Het maakt dus niet uit wie je bent; wat je doet, doet ertoe.”

De voorspellende kracht van het genoom

In 2018 was Gralka net in Boston aangekomen om als postdoc te werken in het laboratorium van Cordero aan het MIT. Hij was begonnen als biofysicus en bestudeerde de fysische eigenschappen van cellen, individueel en in aggregaten. Hij had besloten zich bij het onderzoeksprogramma van Cordero aan te sluiten omdat de twee onderzoekers dezelfde visie hadden: het ontwikkelen van een kwantitatief, vogelvluchtbegrip van microbiële gemeenschappen.

Cordero had een vriezer gevuld met microben uit de Atlantische Oceaan, die zijn laboratorium had gebruikt om een ​​interessante ontdekking te doen over hoe microbiële gemeenschappen rond voedselbronnen ontstaan, gepubliceerd in Current Biology in 2019. Ze hadden bolletjes chitine – een polymeer van zich herhalende suikermoleculen waaruit de schelpen van insecten bestaan ​​– in culturen van bacteriën laten vallen die uit de zeemonsters waren gegroeid. Toen de wetenschappers de ballen er weer uit visten, keken ze naar welke gemeenschappen zich hadden gevormd. Chitine-etende microben hielden zich voorspelbaar vast aan de chitine – maar er waren ook bacteriën die geen chitine aten. Die bacteriën leken de bijproducten op te eten die door de chitine-eters werden afgestoten. De chitine-eters en bijproduct-eters hadden een gemeenschap gevormd.

Dit intrigeerde Gralka. Het leek mogelijk dat het soort gemeenschap voorspeld kon worden op basis van de voedselbronnen alleen: van de oorspronkelijke voedselbron, en vervolgens van de nieuwe bronnen die ontstonden toen de oorspronkelijke bacteriën deze afbraken. Hij vroeg zich af of hij de veranderingen in een microbiële gemeenschap zou kunnen voorspellen als hij de beginomstandigheden ervan onder controle zou houden.

Toen, net toen hij bij Cordero's laboratorium kwam, "kwam er een artikel uit het laboratorium van Alvaro [Sanchez] dat behoorlijk veel indruk maakte", zei Gralka - het werk uit 2018 dat aantoont dat er voorspelbare microbiële niches verschijnen die door veel verschillende soorten kunnen worden opgevuld. . Het idee dat functie belangrijker was dan soort, vond hij logisch. “In de bodem vind je soms duizenden verschillende bacteriën. Dan roept dat al snel vragen op”, zei hij. “Hoe zijn er duizenden soorten? Er zijn toch zeker geen duizenden verschillende niches.”

Door deze twee inzichten van Cordero en Sanchez te combineren, vroeg Gralka zich af of hij niet alleen een microbiële gemeenschap kon voorspellen op basis van de oorspronkelijke voedselbron, maar ook niches kon afleiden uit de genomen van de bacterie.

Gralka proefde de vriezer van Cordero. Eerst moest hij de bacteriën karakteriseren op basis van het voedsel dat ze prefereerden. Met behulp van high-throughput tools kweekte hij 186 verschillende bacteriesoorten in culturen, aangevuld met 135 verschillende voedselbronnen. Alles bij elkaar heeft Gralka de groeisnelheid van meer dan 25,000 bacteriemonsters gemeten.

Er is evenveel variatie in 186 bacteriesoorten als in 186 verschillende mensen, en net als mensen hebben bacteriën elk hun eigen patronen en gewoonten. Sommige bacteriën van Gralka groeiden snel op suikers, en andere groeiden snel op zuren, waaronder organische zuren zoals citroenzuur en aminozuren, de bouwstenen van eiwitten. Met behulp van die gegevens plaatste Gralka de soort op wat hij een suikerzuuras noemde, op basis van hun voorkeuren.

Vervolgens analyseerde hij het DNA van alle 186 soorten om te zien hoe ze evolutionair verwant waren. Gralka was verrast toen hij zag dat nauw verwante soorten binnen dezelfde fylogenetische families vaak verschillende metabolische voorkeuren hadden. De orde van staafvormige bacteriën Alteromonadales bevatte bijvoorbeeld de zuureters Colwellia, de suikereters Paraglaciecola en hoe minder kieskeurig Pseudo-alteromonas, die beide at. Dat ondersteunde het bredere idee dat soortnamen niet veel informatie over de functie van de bacterie binnen een bepaalde microbiële gemeenschap overbrengen.

Vervolgens groef Gralka’s analyse dieper in het DNA van de insecten. Om het genoom in verband te brengen met de metabolische functie, zocht hij naar genen waarvan bekend was dat ze betrokken zijn bij het verteren en metaboliseren van suikers, en deed hij hetzelfde voor zuren. Hij ontdekte dat het aantal suiker- of zuuretende genen voorspelde waar elke microbe in het suikerzuurspectrum viel: hoe meer genen een soort had voor het ene of het andere proces, hoe waarschijnlijker het was dat het op dat uiteinde van de as terecht zou komen. . De bevindingen suggereerden dat microbiologen grofweg het metabolisme van een gemeenschap konden vaststellen door te zoeken naar sequenties van bepaalde genen.

Toen ontdekte hij iets verrassenders. Hij negeerde de feitelijke gensequenties en keek rechtstreeks naar de moleculaire afbraak van het DNA van een stam. In de dubbele helix van DNA zijn de vier soorten basen in de tegenovergestelde strengen gepaard, waarbij guanine (G) gebonden is aan cytosine (C) en thymine (T) gebonden aan adenine (A). Onverwachts hadden de genomen van zuureters een gemiddeld GC-gehalte van 55%, terwijl het GC-gehalte van suikereters gemiddeld rond de 40% lag. Om te bevestigen dat deze correlatie geen eigenaardigheid was van zijn specifieke microbiële gemeenschap, analyseerde Gralka een grotere dataset van duizenden referentiegenomen uit de bacteriële levensboom. Het patroon hield stand: zuurspecialisten hadden over het algemeen een hoger GC-gehalte dan suikerspecialisten.

Deze regel leek onvoorstelbaar eenvoudig. De chemie van het DNA van een bacterie voorspelde zijn plek in de gemeenschap. Gralka kon vaststellen of een soort voornamelijk suikers of zuren at, alleen op basis van de inhoud van zijn genoom, zonder de genen überhaupt te onderzoeken. Statistieken en genomica vonden een eenvoudige volgorde waar de taxonomie die niet zag.

Het voorspellen van de microbiële toekomst

Het werk legt de basis voor een nieuwe wetenschap die praktische voorspellingen doet over microbiële gemeenschappen. Stel dat een pijpleiding lekt en ruwe olie in een bos morst; een microbioloog of milieuwetenschapper wil misschien weten welke bacteriën opduiken om die olie te eten. Een arts wil misschien weten hoe het darmmicrobioom van een patiënt in de loop van een ziekte kan veranderen, en kan die voorspelling mogelijk gebruiken om specifieke antibiotica of andere medicijnen voor te schrijven.

Veel vragen kunnen worden beantwoord en problemen kunnen worden opgelost als onderzoekers snel de functies van een microbiële gemeenschap kunnen inschatten. “In mijn lab noemen we het het coachdilemma”, zei Sánchez. “Je hebt een aantal spelers en je wilt weten wie je op het veld moet zetten als je je score wilt maximaliseren. Ik heb een lijst met 100 soorten; Ik wil ze in een bioreactor stoppen en zoveel mogelijk ethanol maken. Dus welke soorten moet ik erin stoppen?”

De regels die microbiële ecologen blootleggen kunnen die vraag nog niet beantwoorden. Een snelle beoordeling van het microbiële metabolisme – of een werktheorie van bacteriële gemeenschappen en hun genen – zou echter ooit kunnen worden gebruikt om een ​​wereld van ecologische processen te bestuderen en te beheren, zei Gralka.

Microbiële gemeenschappen zijn sleutelspelers in elke ecologische cyclus op aarde. Wanneer een boom in een bos valt, komt een litanie van schimmels en bacteriën samen om de boom op te eten en af ​​te breken, waardoor de componenten van de boom terugkeren naar de mondiale nutriëntenkringlopen. Met de concepten geïntroduceerd door Gralka, Sanchez, Cordero en andere microbiële ecologen zijn de niches van deze nieuwe gemeenschap voorspelbaar. Hout bestaat voornamelijk uit cellulose en hemicellulose, dit zijn glucosepolymeren; daarom zou een functionerende gemeenschap die rijp is voor deelname aan de afbraak van bossen suikeretende bacteriën herbergen, overvloedig aanwezig zijn in suikerverterende genen, en genomen hebben die zijn samengesteld uit een lager aandeel GC-moleculen. Een plotselinge en mysterieuze piek in het aantal zuureters kan een teken zijn dat er iets mis is, opperde Gralka.

De suiker-zuur-as is slechts één soort gemeenschapsniche die deze microbiële ecologen willen identificeren. Cordero noemde het bosecosysteem als voorbeeld van hun uiteindelijke doel. Ecologen hebben veel algemene kenmerken en functies gedefinieerd die gemeenschappelijk zijn tussen bossen en onderling verschillen, waardoor vergelijking en voorspelling mogelijk zijn.

“Hoeveel biomassa zit er op de bladeren versus de stam? [Het] blijkt dat planten met enorme bladeren meer ademen in tropische omgevingen,” zei Cordero. “Hoe diep zijn de wortels? Dat vertelt je hoeveel voedingsstoffen ze uit de omgeving kunnen halen. Hoe snel zullen ze groeien? Hoe groot zijn ze? Hoe goed zijn ze in de strijd om licht?” Het kennen van zelfs maar een paar van die variabelen kan ons veel vertellen over de dynamiek van een bos.

Cordero weet niet wat de analoge eigenschappen zouden kunnen zijn voor micro-organismen en hun gemeenschappen. Veel bacteriële niches houden ongetwijfeld verband met hun metabolisme en bijproducten, maar er zijn ook andere invalshoeken die in aanmerking moeten worden genomen. “Als we manieren hadden om te leren wat deze variabelen zijn … en manieren om ze systematisch te identificeren, zou dat geweldig zijn,” zei hij.

In zekere zin brengen deze wetenschappers voor het eerst microbiële gemeenschappen ecologisch in kaart. Hun werk biedt een nieuwe kijk op wat een microbiële gemeenschap eigenlijk is – en laat zien dat wat microben zijn het beste kan worden gedefinieerd als wat ze doen.

Noot van de redactie: Cordero leidt de Simons Collaboration on Principles of Mbiotic Ecosystems, een onderzoeksprogramma dat wordt ondersteund door de Simons Foundation, die dit ook financiert redactioneel onafhankelijk tijdschrift. Financieringsbeslissingen van de Simons Foundation hebben geen invloed op onze dekking.