Nieuw licht op hoe en waar bacteriën kleurrijke kolonies vormen zonder pigmenten

Sommige bacteriën vormen opvallend gekleurde, reflecterende kolonies. Met nieuwe genetische inzichten in hoe deze kleuren door bacteriën worden gevormd, is het een interdisciplinair, internationaal team van onderzoekers gelukt in beeld te brengen in welke leefomgevingen en bacteriegroepen zulke kleuren voorkomen. Dit gaf de onderzoekers aanwijzingen over wat de functie van de kleuren bij bacteriën zou kunnen zijn. De bevindingen, gisteren gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), kunnen mogelijk bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe innovatieve materialen die gebruik maken van bacteriën om niet-duurzame kleurstoffen te vervangen.

De opvallende, intense kleuren die we kennen van vlindervleugels en pauwenveren zijn niet het resultaat van pigmenten of kleurstoffen. Ze ontstaan door minuscule, geordende structuurtjes die het licht op zo’n manier weerkaatsen dat er een levendig kleurenspel ontstaat. Dit fenomeen wordt dan ook structurele kleur genoemd. Bij structurele kleur zie je afhankelijk van de hoek waarop je kijkt vaak andere kleuren, een effect wat iriseren wordt genoemd. Structurele kleur komt wijdverspreid voor in de natuur, en dus ook bij bacteriën.

Individuele, eencellige bacteriën vertonen geen structurele kleur, alleen kolonies van bepaalde bacteriën doen dat. Eerdere studies tonen aan dat specifieke genen die betrokken zijn bij hoe deze bacteriën zich bewegen, de micro-organismen in staat stellen om zich nauwkeurig te ordenen en zo zeer gestructureerde kolonies te vormen die iriserende kleuren kunnen produceren.

Wat precies de functie is van structurele kleur bij bacteriën en welke genen er verder bij betrokken zijn, is voor het grootste deel nog niet bekend. Bij andere levensvormen speelt structurele kleur onder andere een rol bij de communicatie, camouflage of bescherming tegen licht.

Specifieke genen

Om meer inzicht te krijgen in de genetica achter structurele kleur bij bacteriën, verzamelden de onderzoekers eerst 87 structureel gekleurde bacteriën en 30 nauw verwante niet-iriserende bacteriën. Vervolgens bepaalden ze de volgorde van het DNA van deze bacteriën. Door de DNA-volgordes van de verschillende soorten te vergelijken, ontdekten de onderzoekers dat de bacteriën die structurele kleur vertoonden specifieke genen deelden die afwezig waren bij niet-iriserende bacteriën, ook al behoorden de iriserende bacteriën tot allerlei verschillende bacteriegroepen.

“Dit wijst erop dat genen die leiden tot structurele kleur mogelijk uitgewisseld worden tussen bacteriën die niet direct verwant zijn”, zegt Bas Dutilh, gasthoogleraar aan de Universiteit Utrecht en hoogleraar Viral Ecology and Omics bij de Friedrich-Schiller-Universität Jena. “Dat we de evolutie van dit voor ons zo opvallende koloniekenmerk kunnen volgen, kan ons helpen te begrijpen wat de functie ervan is bij bacteriën.” Opvallend genoeg bleken sommige van de genen die gelinkt waren aan structurele kleur bij bacteriën ook bij te dragen aan het fenomeen in vlindervleugels.

Dit toont echt de kracht van machine learning, waarmee het mogelijks is om biologische functies te voorspellen uit zeer complexe genetische gegevens.

Machine learning

Door de genetische inzichten te combineren met de gegevens van de 117 DNA-volgordes, trainden de onderzoekers een computermodel dat, puur op basis van hun DNA-volgordes, kon voorspellen of bepaalde bacteriën iriserend zijn. Ze gebruikten een techniek die machine learning wordt genoemd, een vorm van kunstmatige intelligentie die wiskundige modellen gebruikt om computers te laten leren zonder ze directe instructies te geven. “Het machine-learning model voorspelde ook structurele kleur in nieuwe groepen bacteriën waarvan we het niet verwacht hadden. In het lab hebben we bevestigd dat deze bacteriën inderdaad iriserend zijn. Dit toont echt de kracht van machine learning, waarmee het mogelijks is om biologische functies te voorspellen uit zeer complexe genetische gegevens", aldus UU-onderzoeker Aldert Zomer.

De verspreiding van structurele kleur

Met behulp van het machine-learningmodel analyseerde toenmalig promovendus Bastiaan von Meijenfeldt 250.000 vrij beschikbare bacteriële DNA-volgordes en 14.000 metagenomen, complete sets DNA-volgordes afkomstig uit omgevings- of klinische monsters. Zo bracht Von Meijenfeldt in kaart waar structurele kleur te vinden is in de stamboom van het bacteriële leven en in allerlei leefomgevingen.

De onderzoeker ontdekte dat bacteriën die in of op gastheren leven, zoals onze darmbacteriën, bijna nooit structurele kleur vertonen. Structurele kleur werd daarentegen wel vaak voorspeld bij bacteriën die leven in zeewater en meren, en in overgangsgebieden tussen oppervlaktes en lucht, zoals op gletsjers en in intergetijdengebieden. Dit laatste zou erop kunnen wijzen dat deze bacteriekolonies inderdaad gestructureerd zijn zodat ze licht kunnen weerkaatsen. Maar dit lijkt niet in alle gevallen zo te zijn.

Von Meijenfeldt: “We waren erg verrast om te zien dat het aandeel van genen betrokken bij bacteriële structurele kleur toenam in diepere wateren, waar licht niet doordringt. Dit is niet wat je zou verwachten als het weerkaatsen van licht een rol speelt. We vonden wel steun voor een hypothese dat structurele kleur bij bacteriën vaak voorkomt bij drijvende deeltjes in deze donkere dieptes. Dat zou mogelijk kunnen betekenen dat de structurering hier andere voordelen heeft en structurele kleur in dit geval een bijproduct is.”

Interdisciplinair

Het onderzoek was het resultaat van een zeer interdisciplinaire samenwerking. De Utrechtse onderzoekers combineerden hun expertise op het gebied van machine learning en genomics, het vakgebied dat zich richt op de studie van de complete set DNA van organismen, met de kennis van Henk Bolhuis (NIOZ) over mariene micro-organismen. Richard Hahnke (Leibniz Instituut DSMZ) leverde zeldzame bacteriële isolaten aan en Silvia Vignolini (University of Cambridge and Max Planck Institute of Colloids and Interfaces) voerde experimenten uit die de structurering van de kolonies aantoonden.

De nieuwe fundamentele inzichten in structurele kleur bij bacteriën zouden als basis kunnen dienen voor de toekomstige ontwikkeling van innovatieve materialen.

Colin Ingham, oprichter van biotechbedrijf Hoekmine BV en initiatiefnemer van het onderzoek, bracht hun onderzoek naar structurele kleur en hun verzameling bacteriestammen in. Ingham legt uit wat de potentiële waarde van structureel gekleurde bacteriën voor de biotechnologie is: “Het idee is om kleurstoffen, die vaak vervuilend zijn en niet passen bij een duurzame economie, te vervangen door kleur die gemaakt is door niet-schadelijke bacteriën”. De nieuwe fundamentele inzichten in structurele kleur bij bacteriën zouden daarom als basis kunnen dienen voor de toekomstige ontwikkeling van innovatieve materialen.