Jumbovirussen zijn vijanden van bacteriën – en meer

Microbiologie Van darmen tot rivieren: grote virussen die bacteriën aanvallen leven overal. Nu zijn er honderden nieuwe ‘jumbofagen’ ontdekt.

Bacteriofagen (de lichtgroende ‘kopspelden’) vallen Streptococcus pyogenes-bacteriën aan.
Bacteriofagen (de lichtgroende ‘kopspelden’) vallen Streptococcus pyogenes-bacteriën aan. Foto Science Photo Library

De wereld van een belangrijke groep virussen is groter, complexer en ingenieuzer dan microbiologen dachten. Het gaat om bacteriofagen, ook wel kortweg fagen genoemd: virussen die gericht bacteriën aanvallen. Een internationaal onderzoeksteam beschreef in het tijdschrift Nature honderden geheel nieuwe ‘jumbofagen’. Het zijn extreem grote virussen, afkomstig van allerlei plekken op aarde.

Fagen zijn wereldwijd de talrijkste micro-organismen – zelfs talrijker dan bacteriën. Je vindt ze in hoge concentraties in allerlei ecosystemen, inclusief ons eigen lichaam. Net als andere virussen hebben ze geen eigen metabolisme en kunnen ze zich niet zelf voortplanten: daarvoor hebben ze een gastheer nodig. Buiten hun gastheer zijn fagen levenloze deeltjes, balancerend op de grens van wat we ‘leven’ noemen.

Een soort maanlandingsgestel

Net als andere virussen kunnen fagen allerlei vormen hebben – bol, flesvormig, langgerekt en de archetypische faagvorm: diamantvormig met een soort maanlandingsgestel waarmee ze hun gastheer herkennen.

Ook jumbofagen zijn zo divers. Ze zijn opvallend veel groter dan andere fagen en hebben veel meer dna. ‘Gangbaar’ faag-dna bestaat uit maar 5.000 tot 200.000 basenparen. Gemiddeld bacterie-dna heeft een paar miljoen basenparen en ons eigen dna drie miljard. Nu presenteren de onderzoekers in Nature een serie geheel nieuwe jumbofagen met dna van zo’n 300.000 tot maar liefst 735.000 basenparen – het grootste faag-genoom ooit beschreven. Het is zelfs groter dan dat van kleine bacteriën, die dna hebben met zo’n 500.000 basenparen.

Dat er zoveel virussen bestaan die groter zijn dan bacteriën, is een heel nieuw idee in de microbiologie. Tot voor kort waren er maar 97 jumbofagen bekend, met dna-volgordes tot maximaal 350.000 basenparen. Daarvan zijn de meeste pas in de laatste paar jaar ontdekt. Nu komen daar in één keer 397 nieuwe jumbofagen bij, waarvan een deel dus ongekend groot.

Elke dag bezwijkt een kwart van alle bacteriën door toedoen van fagen

„Ik denk dat we ons beeld van virussen moeten bijstellen”, reageert Bas Dutilh, universitair docent aan de Universiteit Utrecht, gespecialiseerd in bioinformatica en microbiologie. „Blijkbaar doen ze veel meer dan we dachten – want anders zouden ze al die genen niet nodig hebben. Wát ze dan allemaal doen, daar leren we nu in één klap veel meer over.”

Fagen zijn heel lastig te onderzoeken. Dat komt doordat veel van de naar schatting één biljoen bacteriesoorten nog onontdekt zijn en daardoor niet gekweekt kunnen worden – en de bijbehorende fagen dus evenmin. Daarnaast tref je in een monster bijna nooit een heel faag-genoom aan, maar alleen dna-fragmenten, waarvan het lastig te zien is wat waarbij hoort. Dat alles geldt nog eens extra voor jumbofagen.

Gekaapte genen

De wetenschappers isoleerden faag-dna uit allerlei milieus: de menselijke mond en darm, dierlijke uitwerpselen, meren en rivieren, wereldzeeën, warmwaterbronnen, sedimenten, bodems, diepe aardlagen en steden. Ze maakten een mega-database van alle dna-fragmenten die ze vonden, en vergeleken die met bekende fragmenten van fagen, andere virussen en bacteriën. Van 35 jumbofagen puzzelden ze vanuit die fragmenten het hele genoom bij elkaar, zodat ze alle genen compleet hadden.

Het interessantst waren de genfuncties die ze in de jumbofagen ontdekten. Door de faaggenen te vergelijken met bekende genen, konden ze van veel van die genen zien waar ze ongeveer voor dienen. Zo zagen ze dat bepaalde genen coderen voor eiwitten die direct of indirect ons immuunsysteem beïnvloeden. Andere genen blijken tot nu toe onbekende crispr-cas-genen. Crispr-cas is een bacterieel mechanisme dat dna kan knippen op heel specifieke plekken. Dat concept heeft in de afgelopen jaren geleid tot een revolutie in gentechnieken en -therapieën. „Dat bacteriofagen ook crispr-cas-genen hebben, was al wel een tijdje bekend”, vertelt Dutilh. „Fagen hebben die genen ooit gekaapt van bacteriën. Ze gebruiken ze om zichzelf te verdedigen tegen andere micro-organismen. En om genen te reguleren: van zichzelf, of van bacteriën.”

Fataal gastheerschap

Daarmee spelen fagen een bijzondere rol in ecosystemen. Ze sturen bacteriële evenwichten, ook in en op ons lichaam, en zorgen voor uitwisseling van genen. Elke faag richt zich op zijn eigen bacteriesoort. Voor de bacterie is dit gastheerschap fataal. Elke dag bezwijkt zo naar schatting een kwart van alle bacteriën op aarde.

„Langzamerhand gaan we anders tegen die fagen aankijken”, zegt Dutilh. „Op zichzelf zijn het een soort sporen: levenloze tussenstadia. Maar zodra ze een bacteriecel binnendringen, gaan ze opeens allerlei dingen doen, die allemaal gecodeerd zijn in dat faaggenoom. De faag neemt de bacterie over, als een soort piraat, waardoor die bacterie zich totaal anders gaat gedragen.”

Dat veel van die fagen zoveel groter en complexer zijn dan tot nu toe gedacht, maakt dat idee alleen maar spannender, aldus Dutilh: „Hoe die grote faaggenomen werken, en wat ze daar allemaal mee kunnen doen, dat weten we allemaal nog niet.”