De kracht van een laagje

Bacteriën die zich vestigen in zogeheten biofilms, slijmerige laagjes met soms honderden soorten microben, ondergaan een genetische metamorfose. Is dat evolutie van samenwerking? Sander Voormolen

Links: Het Deense experiment. De bodembacteriën Pseudomonas (groen) en Acinetobacter (rood) leven aanvankelijk in gescheiden groepjes op een glasplaat (uiterst links), maar na enkele dagen is Pseudomonas dankzij genetische aanpassingen heel dicht op zijn partner gekropen. Foto nature Nature

Twee soorten bacteriën in een slijmerig laagje gedijen gezamenlijk beter dan één soort in zijn eigen slijmlaagje. Die kracht van samenwerking ontstaat doordat de ene bacterie zich genetisch aanpast aan de andere. Dit ontdekte een team van Deense microbiologen en een Nieuw Zeelandse collega, toen het keek naar de evolutionaire interactie tussen twee bacteriesoorten in een zogeheten biofilm (Nature, 1 februari).

Biofilms zijn hardnekkige slijmerige laagjes van bacteriën en andere micro-organismen die bijvoorbeeld de binnenkant van een rioolpijp bedekken, of als tandplak op het glazuuroppervlak van het gebit zitten. Het gaat om symbiotische samenlevingen, die soms bestaan uit wel honderden verschillende soorten, waarbij de ene soort baat heeft bij de aanwezigheid van de ander.

De bacteriën in de biofilm maken een matrix van polysacchariden, zoals cellulose. Die draagt bij aan de bescherming: biofilms zijn relatief ongevoelig voor antibiotica en zepen. Pas door mechanische verstoring (zoals bij tandenpoetsen) wordt de hegemonie doorbroken.

De samenwerking tussen bacteriesoorten in een biofilm is dus heel effectief. En uit het nieuwe onderzoek van de Denen en de Nieuw Zeelander blijkt nu dat bacteriën als zij een paar dagen samen in een laagje verblijven zich genetisch gaan aanpassen aan de andere soort. Het onderzoeksteam, onder leiding van Søren Molin van de Technische Universiteit van Denemarken in Lyngby bij Kopenhagen, bestudeerde de evolutionaire interactie in een kunstmatig simpel gehouden biofilm van slechts twee soorten bodembacteriën, Acinetobacter en Pseudomonas putida. De omstandigheden werden zo gekozen dat Pseudomonas afhankelijk was van Acinetobacter. Als enige voedingsbron boden de onderzoekers benzylalcohol (hydroxytolueen) aan; alleen Acinetobacter kan die stof verteren. Deze bacterie zet het om in benzoaat dat het deels uitscheidt. Pseudomonas kan wel leven op benzoaat.

In een geroerd vat (waarin bacteriën gedwongen zijn zwevend in het water te leven) met beide bacteriesoorten bleek dat Pseudomonas alleen kon overleven bij hoge concentraties benzylalcohol (boven 430 micromolair). Maar als hetzelfde soortenduo als biofilm op een glasplaat mocht leven, bleef Pseudomonas nog in leven bij bijna vier keer lagere concentraties benzylalcohol (130 micromolair in de oplossing).

innig

Onder de microscoop was te zien dat de bacteriesoorten op de glasplaat steeds inniger met elkaar werden. Eerst waren er duidelijk te onderscheiden kolonies van Acinetobacter, omgeven door rommelige groepjes Pseudomonas. Na vijf dagen maakten de soorten fysiek contact en weer vijf dagen later waren de Acinetobacter-kolonies geheel overgroeid met Pseudomonas.

De Pseudomonas bleek na ruim een week in de biofilm genetisch te zijn veranderd. De onderzoekers vonden twee mutaties die veroorzaakten dat Pseudomonas ruwe in plaats van gladde kolonies ging vormen. Kennelijk was die verandering nodig om innig te worden met Acinetobacter.

De genetisch aangepaste Pseudomonas had daar duidelijk voordeel bij: hij hield het met zijn partner Acinetobacter zelfs uit bij de laagste geteste concentratie benzylalcohol (50 micromolair). Dat gold echter alleen als de bacteriën in een biofilm zaten, want losgemaakt en opnieuw geroerd bleek de veranderde bacterie juist veel slechter te overleven (bij concentraties boven 950 micromolair).

De conclusie moet zijn dat bacteriën in een biofilm fundamenteel anders zijn dan vrijlevende. Dat werd al vaker geopperd in de microbiologische literatuur, maar is nu dus ook experimenteel vastgesteld.

De grote vraag is wat het betekent dat er in een biofilm zo’n genetische aanpassing plaatsvindt. Vormt het een eerste stap naar meercellige organismen? Of is het evolutionair gezien niks bijzonders en heeft het ook met ‘samenwerking’ weinig van doen? Microbiologen verschillen nogal van mening over hoe deze aanpassingen moeten worden geïnterpreteerd. Dat blijkt als de Nederlandse microbiologen Tjakko Abee en Mark van Loosdrecht ieder hun visie geven op het Deense experiment.

Volgens Abee, hoogleraar Levensmiddelenmicrobiologie aan de Wageningen Universiteit, is de genetische metamorfose die het team van Molin waarnam een algemene eigenschap van bacteriën in biofilms: de samenwerking werkt door tot in de genen. Abee: “Er is wel gesuggereerd dat biofilms een eerste aanzet zijn tot de evolutie van multicellulaire organismen. In mijn oratie vorig jaar besteedde ik ook al aandacht aan de mogelijke interacties tussen bacteriën zodat ze samen sterker worden. Micro-organismen in de levensgemeenschap van de biofilm kunnen gespecialiseerde functies krijgen.”

Van Loosdrecht, hoogleraar Milieutechnologie aan de Technische Universiteit Delft, gelooft daar echter niets van. “Er is bij de vorming van een biofilm niet werkelijk zoiets aan de gang als de evolutie van samenwerking. Organismen in een biofilm hebben simpelweg geen andere keuze. De structuur is het gevolg van simpele fysische wetmatigheden.”

Abee en Van Loosdrecht laten zich kennen als typische vertegenwoordigers van twee scholen binnen de microbiologie: zij die biofilms zien als geavanceerde ecosystemen en zij die ze zien als zelforganiserende systemen. Het nieuwe inzicht dat de micro-organismen in een biofilm een genetische verandering doormaken, brengt daarin geen verandering. De partijen voeren een discussie in twee verschillende talen, ieder met zijn eigen werkelijkheid, waarbij het de vraag is of zij ooit nader tot elkaar zullen komen. Of, zoals de Amerikaanse microbioloog Roberto Kolter van Harvard Medical School snedig opmerkt in het voorwoord van een vakblad dat een themanummer wijdde aan biofilms (Trends in Microbiology, januari 2005): ‘Op ‘micro’-schaal is dit een geval van een eeuwenoud nature versus nurture debat.’

Wat vinden de twee Nederlandse protagonisten van dit Deense experiment? Volgens Delftenaar Van Loosdrecht is de ‘aangepaste’ Pseudomonas-bacterie niet meer dan een normale variant, die gewoonlijk niet opvalt, maar die in het specifieke milieu van de biofilm de overhand heeft gekregen en de vrijlevende vorm heeft verdrongen. “Molin zelf, die wel weet hoe de kaarten op dit gebied liggen, doet daar in het artikel wijselijk geen uitspraak over”, zegt Van Loosdrecht. “Op basis van zijn resultaten kun je daar ook geen conclusies uit trekken.” Maar uit zijn eigen onderzoek weet Van Loosdrecht dat de vorming van ingewikkelde biofilms zich heel goed laat beschrijven met eenvoudige wiskundige modellen die rekening houden met simpele gegevens als stroomsnelheid, voedselbeschikbaarheid en zuurstofbeschikbaarheid.

Abee ziet het anders. “In het experiment van Molin zien we dat met name de Pseudomonas is gemuteerd. Hij maakt door de veranderingen meer plakmiddel, een netwerk van polymeren buiten de cel vergelijkbaar met behangplaksel. Dankzij dat behangplaksel kan deze bacterie dicht op zijn voedselleverancier gaan kleven. En de leverancier Acinetobacter is er ook bij gebaat omdat het uitscheidingsproduct toch een beetje giftig is voor hemzelf.” Dus hoe meer die ander ervan eet, hoe beter.

Abee: “Als de veranderde bacterie weer gedwongen wordt om los te overleven maakt hij nog steeds veel slijm, maar nu heeft hij er niets aan. Dat is weggegooide energie, en daardoor presteert hij slechter.”

Volgens Abee kunnen genetische veranderingen wel degelijk optreden als gevolg van het leven in een biofilm. “Spontane mutaties treden bij bacteriën vrij vlot op. Een cultuur bestaat al gauw uit behoorlijk wat cellen, zeg een miljard. De kans is dus relatief groot dat er plots een succesvolle, aangepast mutant opduikt.”

Daarnaast bestaat er ook nog zoiets als ‘stress geïnduceerde evolutie’, zegt Abee. “Dat doet zich bijvoorbeeld voor als bacteriën stress ervaren door voedseltekort, onder in de laag. “Bacteriën reageren op die stress met een zogeheten SOS-respons. In het DNA treden altijd spontane mutaties op, die normaal bijtijds goed gerepareerd worden door enzymen. Maar door het in werking treden van het SOS-signaal worden die fouten minder goed hersteld waardoor je extra mutanten krijgt, juist onder moeilijke omstandigheden.”

diehards

Volgens de Wageningse microbioloog draagt dat bij aan de weerbarstigheid van biofilms. “Ten eerste kan de slijmlaag de bacteriën erin afschermen voor bijvoorbeeld antibiotica. Die stoffen blijven dan plakken in de slijmlaag. De bacteriën binnenin worden niet bereikt. De stressrespons leidt tot allerlei mutaties die voor snelle aanpassing zorgen en die hoge mutatiefrequentie leidt ook tot het ontstaan van zogeheten persistors, diehards die onder moeilijke omstandigheden overleven.”

Daarnaast kunnen bacteriën onderling communiceren, binnen de eigen soort, maar ook tussen verschillende soorten. Ze scheiden signaalmoleculen uit waaruit andere bacteriën bijvoorbeeld afleiden wat de dichtheid van de omringende bacteriën in het omringende milieu is. ‘Quorum sensing’ noemen microbiologen dat. Het roept een beeld op van een gecoördineerde samenwerking.

Abee: “Recent is gevonden dat signaalmoleculen van de ene soort ertoe bijdragen dat bepaalde genen in andere soorten worden geactiveerd.” Van Loosdrecht reageert nuchter, en zegt dat er geen sprake hoeft te zijn van geavanceerde communicatie: “Je zou die signaalmoleculen ook kunnen zien als kleine goedkope proefballonnetjes die de cel uitstoot om te zien of het loont om grotere en dus energetisch duurdere moleculen uit te scheiden. Als de signaalmoleculen niet meer wegdiffunderen, kan de cel die moleculen uitscheiden.”

Van Loosdrecht komt nu goed op dreef : “Biofilms worden vaak gezien als iets dat veel specialer is dan bacteriën die in suspensie leven. Maar die samenlevingen kunnen even goed complex zijn. De neiging bestaat om het vakgebied belangrijker te maken dan het is. Door bijvoorbeeld, zoals Molin, te schrijven dat de diversiteit binnen een biofilm te vergelijken is met de diversiteit van het tropisch regenwoud. Dat klinkt leuk, maar ik vrees dat het slechts een poging is het vakgebied belangrijk te maken. Ik heb eerlijk gezegd niet alle verwijzingen erop nagelezen, maar wat ik zo uit de titels afleid is dat deze artikelen ook alleen maar over biofilms gaan. Er is waarschijnlijk nooit iemand geweest die het echt met elkaar heeft vergeleken.”

“Als bacteriën de keuze hadden, dan leefden ze in oplossingen en niet in laagjes”, vervolgt Van Loosdrecht. “Het leven in biofilms is een noodzakelijke aanpassing aan stroming of predatie. Alleen zo kunnen micro-organismen onder de gegeven omstandigheden een populatie in stand houden.”

“Het ligt aan de condities, maar ik denk dat vrijwel alle soorten onder bepaalde omstandigheden biofilms zullen maken. Dat is wel opvallend en dat zegt wel iets over de evolutie en het belang ervan”, zegt Abee. “Telkens blijkt weer dat bacteriën die wij opnieuw isoleren uit het milieu heel goed biofilms kunnen maken. Bij laboratoriumstammen is dat vermogen vaak verloren gegaan. Die zijn geselecteerd omdat ze snel groeiden of omdat ze makkelijk waren voor genetisch onderzoek.”