Een moeder geeft haar baby alles: liefde, knuffels, kusjes … en een stevig leger bacteriën.

Deze eenvoudige cellen, die van moeder naar baby gaan bij de geboorte en in de maanden van intiem contact die volgen, vormen de eerste zaden van het microbioom van het kind - de evoluerende gemeenschap van symbiotische micro-organismen die verbonden zijn met het gezonde functioneren van het lichaam. Onderzoekers van het Broad Institute van het Massachusetts Institute of Technology en Harvard University hebben onlangs het eerste grootschalige onderzoek uitgevoerd naar hoe de microbiomen van een moeder en haar kind tijdens het eerste levensjaar samen evolueren. Hun nieuwe studie, gepubliceerd in Cel ontdekte in december dat deze bijdragen van moeders niet beperkt zijn tot volledige cellen. Kleine stukjes DNA, mobiele genetische elementen genaamd, springen van de bacteriën van de moeder naar de bacteriën van de baby, zelfs maanden na de geboorte.

Deze manier van overdracht, die nog nooit eerder is gezien bij het cultiveren van het microbioom van een baby, zou een cruciale rol kunnen spelen bij het bevorderen van groei en ontwikkeling. Begrijpen hoe het microbioom van een kind evolueert, zou kunnen verklaren waarom sommige kinderen vatbaarder zijn voor bepaalde ziekten dan andere, zei Victoria Kar, een hoofdbioinformaticus aan het Wellcome Sanger Institute die geen deel uitmaakte van de studie.

"Het is een grote vraag: hoe komen we aan onze microben?" gezegd Nicola Segata, een professor aan de Universiteit van Trento in Italië die ook geen deel uitmaakte van het onderzoek.

Ons lichaam herbergt ongeveer evenveel bacteriecellen als menselijke cellen, en de meeste leven in onze ingewanden. Ieder van ons herbergt enorm diverse bibliotheken van bacteriesoorten en -stammen die we gedurende het leven hebben opgedaan. Maar baby's beginnen bijna steriel. Aangenomen wordt dat de eerste grote infusie van microben van de moeder komt tijdens de geboorte wanneer het kind de baarmoeder verlaat. Die bacteriële gave vormt de steiger voor een bloeiende microbiële gemeenschap in het lichaam die ons de rest van ons leven ondersteunt. (Baby's geboren via een keizersnede krijgen niet dezelfde initiële infusie van microben die baby's krijgen bij een vaginale geboorte, maar ze verzamelen ze later langzaam.)

Een van de effecten van het microbioom, legt Segata uit, is het conditioneren van het immuunsysteem en de stofwisseling van de gastheer gedurende de eerste paar levensjaren. Deze eerste trainingsdagen "kunnen langdurige gevolgen hebben die nu nog moeilijk te bevatten zijn", zei hij.

Dat komt omdat men denkt dat de metabolieten, of chemische producten van het metabolisme, gemaakt door het microbioom, de cognitieve ontwikkeling en het immuunsysteem van een baby beïnvloeden, vooral tijdens een gevoelige periode in de 1,000 dagen voor en na de geboorte, zei Karolina Jabbar, een internist en onderzoeker aan de Universiteit van Göteborg, die mede-hoofdauteur is van het nieuwe artikel.

In de nieuwe studie, geleid door Ramnik Xavier, de directeur van het Klarman Cell Observatory van het Broad Institute, verzamelden de onderzoekers ontlastingsmonsters van 70 paar moeders en hun baby's, vroeg in de zwangerschap beginnend en doorgaand voor het eerste jaar van de baby. De onderzoekers onderzochten vervolgens de mix van microben en verbindingen in de monsters en voerden genetische analyses uit om te bepalen welke soorten en welke microbenstammen aanwezig waren. Met deze gegevens konden ze zien hoe de microbiomen van de moeders en baby's in die tijd samen evolueerden.

Zoals ze verwachtten, waren de microbiomen van de baby's anders dan die van hun moeders, en de invloed van voeding op hun microbiomen was duidelijk. De baby's hadden honderden metabolieten die hun moeders niet hadden.

De grote verrassing voor het team was dat zelfs wanneer een baby geen bruikbare bacteriestammen in de moeder had, het microbioom van de baby nog steeds stukjes genen bevatte die tot die stammen behoorden.

"Hoe kan de soort de microbiële samenstelling van baby's beïnvloeden zonder er zelfs maar deel van uit te maken?" zei Jabbar. Zij en haar laboratoriumgenoten begonnen zich af te vragen of dit kon worden verklaard door horizontale genoverdracht, een eigenaardig proces waarbij genen van de ene soort naar een andere soort springen in plaats van te worden doorgegeven aan een nakomeling. Horizontale genoverdrachten zijn gebruikelijk binnen bacteriegemeenschappen - ze dragen bijvoorbeeld in grote mate bij aan de verspreiding van antibioticaresistente genen in een verscheidenheid aan ziekteverwekkers - en er is ook vastgesteld dat ze voorkomen bij meercellige organismen.

Toch waren de onderzoekers niet bereid om honderden genen tussen bacteriële gemeenschappen te zien springen - van het microbioom van de moeder tot dat van de baby. "Het is een van die dingen die je in eerste instantie zelf niet gelooft", zei hij Tommi Vatanen, een research fellow aan de Universiteit van Helsinki en co-hoofdauteur van de paper.

De onderzoekers speculeren dat horizontale genoverdracht het meest voor de hand ligt wanneer bacteriën die gedijen in de darmen van de moeder niet kunnen overleven in de onbekende omgeving van de darmen van de baby. Maternale bacteriën kunnen het lichaam van de baby binnendringen via de moedermelk of als vrijgegeven sporen die de baby inslikt. Sommige bacteriën zullen het lichaam van het kind onvermijdelijk niet koloniseren en verdwijnen. Maar ze kunnen lang genoeg meegaan om bepaalde gensequenties in meer succesvolle bacteriën te laten springen. Als die genetische sequenties wortel schieten in het genoom van bacteriën in de darm van de baby, kunnen ze de functies overbrengen die ze coderen.

"Het feit dat zelfs een voorbijgaand bestaan ​​van een donorcel zo'n impact kan hebben op die aanhoudende cellen, is echt fascinerend," zei Carr.

In sommige gevallen is deze hop mogelijk gemaakt door profagen - slapende virussen die zich vermenigvuldigen in bacteriën. In de stressvolle omgeving van de darm van de baby kunnen profeten actief worden en tussen bacteriën gaan bewegen, waarbij ze ingebedde bacteriële genen met zich meedragen.

In hun analyse van ontlastingsmonsters van baby's identificeerden Vatanen, Jabbar en hun collega's een duidelijk voorbeeld: een profaag die was geïntegreerd in het DNA van een bacteriesoort verscheen maanden later in een andere bacterie.

"Het is vrij overtuigend bewijs dat deze specifieke faag tussen twee verschillende soorten was gesprongen," zei Vatanen. De onderzoekers ontdekten ook dat genen op andere manieren tussen bacteriesoorten sprongen, zoals door direct cel-tot-cel contact of door een bacteriecel die DNA overspoelde dat in de omgeving vrijkwam.

Een grote groep genen die sprong, codeerde voor de cellulaire machinerie die horizontale genoverdracht mogelijk maakt. Andere mobiele sequenties hielpen bij het koolhydraat- en aminozuurmetabolisme en kunnen daarom de bacteriën enorm hebben geholpen. De resultaten suggereren bijvoorbeeld dat genen die verband houden met de vertering van koolhydraten in moedermelk op deze manier van moeders op baby's kunnen worden gedeeld, zei Jabbar. De onderzoekers weten niet zeker of de horizontale transfers de baby direct ten goede komen, maar door een beter darmmicrobioom samen te stellen, kunnen ze helpen bij de ontwikkeling van het immuunsysteem van de baby.

Sommige van deze genetische sequenties doken maanden na de geboorte op in nieuwe bacteriën, wat suggereert dat de overdrachten gedurende die tijd bleven plaatsvinden. Het is niet duidelijk of er ook vóór de geboorte overdrachten plaatsvonden, maar de onderzoekers ontdekten wel dat het microbioom van de moeder tijdens de zwangerschap evolueerde. Sommige veranderingen leken waarschijnlijk van invloed te zijn op het vermogen van het lichaam om glucose te verdragen. Die bevindingen suggereren dat de diabetes die sommige mensen tijdens de zwangerschap ontwikkelen, in verband kan worden gebracht met het microbioom.

Toen de onderzoekers ontlastingsmonsters van de baby's verzamelden, namen ze ook monsters van hun immuuncellen. Nu zijn ze van plan om die monsters te gebruiken om te onderzoeken hoe de bacteriën die baby's dragen, inclusief de bacteriën die deze mobiele elementen bevatten, interageren met immuuncellen. Inzichten uit deze experimenten kunnen leiden tot een beter begrip van hoe en waarom sommige mensen allergieën of auto-immuunziekten ontwikkelen.

Het bestaan ​​van dergelijke mobiele elementen is bekend sinds de baanbrekende geneticus Barbara McClintock ze in de jaren veertig ontdekte, een prestatie waarvoor ze de Nobelprijs won. "Maar het is tot voor kort nog nooit zo diep gekarakteriseerd," zei Carr. "Nu we meer inzichten krijgen, realiseren we ons dat mobiele genetische elementen eigenlijk een grotere impact hebben dan we eerder beseften."

Bij ons, zo blijkt, begint die impact al heel vroeg in het leven.