Schisma in de bekendste bacteriefamilie

Microbiologie De bacterie E. coli kennen we als één soort met verschillende gedaanten. Maar er zijn aanwijzingen dat E. coli evolueert tot verschillende soorten. Als dat zo is, is dat het einde van E. coli als soort.

Lucas Brouwers

De bacterie Escherichia coli heeft verschillende gezichten. Ze is een onschadelijke bewoner van onze darmen (zo ontdekte de Duitse arts Theodor Escherich haar in 1886), maar kan ook een dodelijke ziekmaker zijn. De onschadelijke E. coli voedt zich met suikers uit ons voedsel – en helpt ons bovendien. De bacterie leert ons immuunsysteem om goede van slechte bacteriën te onderscheiden en bereidt de weg voor andere, noodzakelijke bacteriën in onze darmen. De gevaarlijke E. coli kan voedsel besmetten en mensen ziek maken. De uitbraak van een EAEC-bacterie, die eerder was geïdentificeerd als EHEC-bacterie, in Duitsland in mei dit jaar, is daar het meest recente voorbeeld van.

Ondanks zijn verschillende verschijningsvormen beschouwden wetenschappers alle varianten van deze permanente darmbewoner altijd als één soort. Maar misschien is dat onterecht. Er zijn aanwijzingen dat E. coli tot verschillende soorten evolueert. Als dat zo is, ‘betekent dit het einde van Escherichia coli als soort’, schreef een team van biologen onder leiding van Philip Tarr, hoogleraar moleculaire microbiologie in St. Louis, deze zomer (BMC Evolutionary Biology, 27 juni).

Tarr kwam tot zijn conclusie toen hij de stamboom van vijf verschillende groepen E. coli (zie kader) reconstrueerde. Daaruit bleek dat het DNA van de verschillende groepen nauwelijks nog vermengt. Normaal gesproken wisselen bacteriën van dezelfde soort juist heel makkelijk DNA uit. Bijvoorbeeld via conjugatie, een soort bacterieseks waarbij twee cellen tijdelijk samensmelten, DNA uitwisselen en weer uiteengaan.

Tarr baseerde zijn stamboom op de zogenoemde ‘ruggengraat van het DNA’. Dit is het honkvaste gedeelte van het DNA, dat alle E. coli-stammen gemeenschappelijk hebben. Tarr gebruikte de verschillen tussen de groepen in dat DNA om hun onderlinge verwantschappen in kaart te brengen. Het DNA dat erg vaak gedeeld wordt tussen bacteriën liet hij buiten beschouwing, zoals de genen die antibioticaresistentie verlenen. Zulke genen zijn zó mobiel dat ze ware familierelaties verhullen.

Bacteriechassis

Toch kwam Tarr niet op één stamboom uit: verschillende onderdelen van het ruggengraat-DNA leverden verschillende stambomen op. Het ene stuk DNA van E. coli type E wijst bijvoorbeeld op een nauwe verwantschap met bacteriën van het type A, terwijl een ander stuk juist heel specifiek toebehoort aan type E. Die veranderlijke takken wijzen erop dat ook het ruggengraat-DNA in het verleden uitgewisseld werd. Daardoor hebben verschillende stukken DNA verschillende verwantschappen. ‘Het chassis van E. coli is samengesteld uit onderdelen met verschillende oorsprong’, schrijft Tarr.

Maar niet elk E. coli-chassis is evenwichtig samengesteld. Bepaalde typen E. coli hebben veel meer DNA gemeenschappelijk dan andere. Vooral bacteriën van het type D en B2 verschillen sterk van de rest. Deze genetische isolatie kan wijzen op soortvorming. “In het verleden functioneerde E. coli dus als een soort omdat ze vrijelijk DNA uitwisselden”, zegt Tarr, „maar recentelijk hebben ze dat nauwelijks nog gedaan.”

Tarr vergelijking met het bedrijfsleven: “Stel je E. coli voor als een bedrijf met vijf divisies. Drie divisies produceren dezelfde producten en delen technologie. De andere twee divisies werken onderling ook veel samen, maar hebben weinig overlap met de andere drie divisies. Het bedrijf besluit zich daarom te splitsen in twee dochterondernemingen. Elke dochteronderneming heeft zijn werknemers, klanten en materieel van het bedrijf E. coli geërfd, maar kan je nog zeggen dat het bedrijf bestaat?”

Een andere mogelijkheid, schrijft Tarr, is dat het moederbedrijf E. coli zich opsplitst in vijf nieuwe bedrijven, die elk hun eigen weg vervolgen. Het is voorlopig nog onmogelijk om te zeggen welke van deze twee scenario’s waarschijnlijker is. Zelfs de vraag óf E. coli zich daadwerkelijk in verschillende soorten opsplitst, is moeilijk te beantwoorden. Dat komt vooral doordat soortvorming bij bacteriën een zeer traag proces is. In 2007 rekenden Amerikaanse biologen uit dat het zeventig miljoen jaar duurde voordat de voorouders van Salmonella en Escherichia, allebei darmbacteriën en potentiële ziekteverwekkers die nauw verwant zijn aan elkaar, zich tot twee soorten ontwikkelden. Gedurende die periode wisselden de twee bijna-soorten steeds minder ruggengraat-DNA uit, totdat zij uiteindelijk volledig genetisch geïsoleerd raakten.

Discussie over definitie

Er is dus niet één moment aan te wijzen waarop Salmonella en Escherichia twee soorten werden. Ook E. coli zal zich niet plotseling in meerdere soorten splitsen. De contouren van nieuwe soorten worden maar langzaam zichtbaar. Ze worden pas scherp als de scheiding compleet is.

Arjan de Visser, evolutionair geneticus aan de Universiteit van Wageningen, merkt verder op dat Tarr weliswaar heeft aangetoond dat de vijf typen E. coli genetisch geïsoleerd zijn, maar dat hij niet verklaart hoe die isolatie tot stand is gekomen. Probleem is namelijk, schrijft hij in een e-mail: „De informatie over de ruimtelijke verspreiding van leden van deze vijf groepen ontbreekt. We weten dus niet hoeveel gelegenheid zij hebben om met elkaar in contact te komen en genetisch materiaal uit te wisselen.”

Tarr erkent dat er te weinig bekend is over de natuurlijke leefomgeving van E. coli. Veel stammen die hij bestudeerde zijn geïsoleerd in ziekenhuizen, zoals uit het bloed of de urine van besmette patiënten. “We weten simpelweg niet waar deze E. coli zich bevinden als ze geen ziektes veroorzaken”, zegt Tarr.

Tarr is zich ervan bewust dat er veel discussie bestaat over de definitie van soorten bij bacteriën. “Wij hopen dat ons onderzoek bijdraagt aan dat debat”, zegt hij. “Groepen organismen die wij als soort beschouwen, blijven natuurlijk evolueren. De samenstelling van zo’n groep kan dusdanig veranderen, dat ze niet meer als soort te beschouwen zijn.”