Microben blijken over een bijzonder vermogen te beschikken: ze kunnen hun omgeving ‘herinneren’ en deze kennis doorgeven aan latere generaties. Volgens de onderzoekers zou dit weleens de reden kunnen zijn waarom sommige antibiotica en vaccins niet altijd even effectief zijn.
Biologen weten al decennialang dat genetisch identieke bacteriën zich onderling heel verschillend kunnen gedragen: de één groeit snel, de ander langzaam; de één overleeft antibiotica, de ander niet. Onzeker bleef of zulke verschillen toeval waren of echt erfelijk. In een studie in Cell tonen Raya Faigenbaum-Romm en collega’s nu aan dat zelfs individuele bacteriën een lang aanhoudend, erfelijk geheugen bezitten. “Wanneer een bacterie zich deelt erven de nakomelingen de herinneringen in het geheugen — soms voor meer dan 20 generaties lang,” zegt Faigenbaum-Romm.
Microcolony-seq
Voor het onderzoek heeft het team gebruik gemaakt van een nieuwe techniek: Microcolony-seq. Daarbij worden piepkleine kolonies, gekweekt uit één enkele bacterie, geïsoleerd en geanalyseerd op RNA, genoom en uiterlijke kenmerken. Zo kunnen onderzoekers onderscheiden of verschillen voortkomen uit echte mutaties of uit epigenetische fenotypes: erfelijke ‘aan/uit’-standen van genen zonder verandering van het DNA. Omdat de meting heel vroeg in de kolonievorming plaatsvindt, verdwijnt ruis die zelfs geavanceerde single-cell-RNA-technieken niet kunnen voorkomen.
Op deze manier ontdekte het team dat ziekteverwekkers zoals Escherichia coli (E. coli) en Staphylococcus aureus (S. aureus) zich opsplitsen in stabiele subgroepen — zelfs binnen één en dezelfde infectie. Sommige afstammelingen maken gebruik van virulentieprogramma’s die helpen hechten aan gastheercellen, terwijl andere subpopulaties juist gebruiken maken van genen waardoor ze beter in moeilijke omstandigheden kunnen overleven of waardoor ze beweeglijker worden. Dat geheugen is echter niet permanent: bij de zogeheten stationaire fase, wanneer voedingsstoffen opraken, wordt het gewist en begint een populatie als het ware weer opnieuw.
Infecties
De medische impact van het onderzoek zou best groot kunnen zijn. Zo vond het team in urineweginfecties van E. coli en ook in bloedbaaninfecties van S. aureus verschillende subgroepen met verschillende antibioticaresistentie en virulentieprofielen. De resultaten van het onderzoek kunnen dan ook mogelijk verklaren waarom sommige vaccins en antibiotica wel of niet aanslaan: het zou kunnen dat ze zich vooral richten op een enkele subpopulatie, waardoor andere subpopulaties vrijuit gaan.
Nathalie Q. Balaban heeft ook meegewerkt aan het onderzoek. Balanban zegt: “een infectie bestaat maar zelden uit een uniforme bacteriepopulatie. Het lijkt meer op een coalitie van verschillende spelers, waarbij ze allemaal van nature goed zijn in iets anders. Om behandelingen op te zetten die echt werken is het belangrijk dat we ze allemaal begrijpen en bestrijden.”
Volgens het team kan Microcolony-seq ook voor andere, niet-medische doeleinden ingezet worden. De techniek kan ook ingezet worden om in het algemeen te bestuderen hoe microben zich ontwikkelen en aanpassen aan de omstandigheden. Daarnaast zou met behulp van de techniek mogelijk ook het microbioom in onze darmen beter onderzocht kunnen worden en zouden zelfs industriële fermentatieprocessen verbeterd kunnen worden.
Microben zijn microscopisch kleine organismen die je zonder microscoop niet ziet. Ze komen overal voor: in de bodem, zwemmend in oceanen, vliegend in de lucht en ook gewoon in en op ons lichaam. Zo helpen ze ons bij de spijsvertering, maken ze vitamines voor ons aan en trainen ze zelfs ons immuunsysteem. Microben drijven ook cruciale kringlopen aan, zoals koolstof- en stikstofomzetting, en breken organisch materiaal af. Tegelijk veroorzaken sommige soorten ziekten of voedselbederf, zoals E. coli en S. aureus. Door hun korte generatietijd evolueren ze razendsnel, waardoor resistentie tegen antibiotica en antivirale middelen kan ontstaan.
