Genenjager vist naar DNA in de oceanen

Anderhalf jaar viste de zeilboot Sorcerer 2 naar DNA.

De oceanen bevatten een onafzienbare hoeveelheid verschillende soorten bacteriën en genen.

„Het begrip soort moet voor bacteriën helemaal worden herzien”, zegt onderzoeker Doug Rusch van het Craig Venter Instituut in Maryland aan de telefoon. „Al weten wij nog niet hoe.”

Anderhalf jaar heeft de zeilboot Sorcerer 2 in twee oceanen naar DNA van bacteriën gevist. Afgelopen dinsdag zijn de eerste bevindingen online gepubliceerd door het vrij toegankelijk tijdschrift PLOS Biology. Volgens de befaamde onderzoeksleider Craig Venter, die zichzelf graag met Darwin vergelijkt, was de expeditie puur gericht op de fundamenteel biologische vraag hoeveel bacteriesoorten er in de oceaan zitten. Maar nu blijkt er helemaal geen overzichtelijke hoeveelheid soorten in de oceaan te leven. Eerder een onafzienbare hoeveelheid genetisch verschillende ‘subsoorten’, ‘ecotypen’ en ‘populaties’. „Ook het aantal genen in de zee is eindeloos”, zegt Rusch. „Hoe meer DNA je analyseert, hoe meer je er zult vinden.”

In augustus 2003 begon het jacht zijn reis bij de Canadese kust, waarna het via Costa Rica, de Galapagoseilanden en Frans Polynesië de Pacific opvoer, richting Australië. Venter vloog die achttien maanden heen en weer tussen zijn jacht, zijn instituut en de wereldsteden. Rusch is er zes dagen bij geweest, om met eigen ogen te zien hoe om de 180 zeemijlen oceaanwater van drie dieptes werd gefilterd, en hoe daarna de filters met bacteriën werden ingevroren, gelabeld en naar Maryland gestuurd. Helaas kon hij er niet van genieten, vertelt hij, want hij was vreselijk zeeziek.

De ambitieuze expeditie heeft nu al, terwijl de filters nog maar deels zijn geanalyseerd, een nauwelijks te bevatten berg informatie opgeleverd: 7,7 miljoen stukken oceaan-DNA zijn in eindeloze rijen van samen 6,3 miljard letters (de basenparen) opgeslagen. De opgehelderde stukken DNA bleken zo’n 6 miljoen verschillende genen te bevatten, met de code voor ongeveer evenveel verschillende eiwitten. Bijna de helft van de genen had géén of maar gedeeltelijk verwantschap met genen die al in databanken zaten. Van één bepaald enzym, een zogeheten kinase, zijn maar liefst 45.000 varianten gevonden.

Bacteriën die volgens de gangbare criteria tot dezelfde ‘soort’ of zelfs ‘ondersoort’ zouden moeten behoren, bleken genetisch wel vijf tot tien procent te kunnen verschillen – veel meer dus dan menselijk DNA van chimpansee-DNA verschilt (zo’n drie procent). „In feite waren geen twee bacteriën gelijk”, zegt Rusch. „Zelfs bacteriën van dezelfde populatie verschilden genetisch gemiddeld 3 tot 5 procent.” Volgens de huidige criteria behoren bacteriën tot dezelfde soort als een bepaald, in de evolutie sterk geconserveerd stukje DNA – 16S rRNA gen geheten – overeenkomt. Maar overeenkomsten hierin bleken nauwelijks voorspellende waarde te hebben voor cruciale bacterie-eigenschappen zoals zoutresistentie of lichtafhankelijkheid.

Venter heeft zich bij zijn expeditie niet alleen laten inspireren door Darwins reis met het schip de Beagle, maar ook door de Britse Challenger-expeditie (1872-1876), die destijds 5.000 nieuwe zeediersoorten opleverde. De Sorcerer 2 viste echter niet naar ‘hele’ organismen, maar rechtstreeks naar DNA, een ‘dode’ chemische stof dus, om deze vervolgens met geavanceerde software te onderzoeken. Dit kan in de bacteriewereld niet anders, omdat 99 procent zich niet in een bakje laat kweken. Deze nieuwe onderzoeksmethode, metagenomics genoemd, zal in de komende jaren nog wel meer onverwachte inzichten opleveren, zoals over de miljarden bacteriën in onze darmen.

Net als bij de Challenger-expeditie heeft ook de Sorcerer bij elk monster de omgevingsfactoren bepaald, zoals temperatuur, druk, chemische samenstelling van het water en lichtinval. Ook dat leverde een verrassing op, vertelt Rusch. De invloed van het water op het DNA blijkt onverwacht sterk. Zo hadden de bacteriën uit de Atlantische Oceaan, waarin overvloedig fosfaat zit, meestal geen genen voor fosfaatbinding; in de schonere Stille Oceaan, met weinig fosfaat, hadden ze die genen wel altijd. Maar dat verschil lijkt niet te liggen aan een miljoenen jaren durend evolutieproces. Rusch: „Tot onze verbazing waren er bacteriën uit de Atlantische Oceaan die genetisch nauwelijks verschilden van bepaalde andere uit de Stille Oceaan, behalve dan in die genen voor fosfaatbinding. We moeten dus nog veel leren over hoe de omgeving de diversiteit beïnvloedt.”

De expeditie kostte ongeveer 10 miljoen dollar. Die zijn deels betaald door de Gordon and Betty Moore Foundation voor een beter milieu.

Kijk voor meer informatie over de expeditie op www.sorcerer2expedition.org en www.plosbiology.org