Specialistische microben worden zelfs in hun eigen leefomgeving overheerst door generalisten

Micro-organismen die gespecialiseerd zijn en maar in één soort leefomgeving te vinden zijn, blijken daar in relatief lage maar stabiele aantallen voor te komen. Micro-organismen die in veel verschillende soorten leefomgevingen voorkomen, zijn bij gunstige omstandigheden juist in staat snel in aantallen toe te nemen. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en de Friedrich-Schiller-Universität Jena concluderen dit op basis van een nieuwe methode om generalistische en specialistische microben te onderscheiden, die ze toepasten op een grote, wereldwijde dataset. De resultaten van het onderzoek werden gisteren gepubliceerd in het vakblad Nature Ecology & Evolution.

Bastiaan von Meijenfeldt, eerste auteur van het artikel en voormalig promovendus aan de Universiteit Utrecht, legt uit wat deze studie mogelijk heeft gemaakt. Von Meijenfeldt: “Het is eigenlijk pas sinds kort mogelijk een sample uit de omgeving te nemen, bijvoorbeeld uit de zee, de bodem of de darmen van een mens, en dan via het DNA in de sample te bepalen welke micro-organismen zoals bacteriën en archaea er in voorkomen. De afgelopen jaren hebben heel wat onderzoekers over de hele wereld dat gedaan, waarna hun datasets vaak online zijn komen te staan. Wij besloten die online data te verzamelen. Zo combineerden we de gegevens van meer dan 22 duizend samples, afkomstig uit allerlei verschillende leefomgevingen, zoals kustzones, planten en menselijke ontlasting. Vervolgens gebruikten we die data om voor de eerste keer op grote schaal te onderzoeken welke microben nou generalisten en specialisten zijn.”

Microbiomen

Binnen de ecologie worden organismen generalisten genoemd als ze in veel verschillende leefomgevingen voorkomen. Maar hoe baken je leefomgevingen af? Von Meijenfeldt: “Voor een bacterie is een menselijke darm misschien wel vrijwel dezelfde omgeving als de darm van een aap. En kan de ene waterplas weer een hele andere leefomgeving zijn dan een andere waterplas.”

De onderzoekers kozen ervoor een nieuwe methode te ontwikkelden om dit probleem te omzeilen. Von Meijenfeldt: “We besloten te kijken naar microbiomen, gemeenschappen van micro-organismen. Als er in twee verschillende samples dezelfde combinaties van micro-organismen voorkwamen in dezelfde verhoudingen, dan rekenden we de twee samples tot hetzelfde microbioom. Vervolgens bekeken we welke microbiomen er allemaal bestonden in onze dataset. Micro-organismen die voorkwamen in verschillende microbiomen noemden we generalisten, en micro-organismen die maar in één microbioom te vinden waren deelden we in bij de specialisten.”

Generalisten blijken opportunistisch: als de condities goed zijn, dan overgroeien ze alles.

Generalisten domineren

Opvallend genoeg ontdekten de onderzoekers dat in de meeste samples generalisten de overhand hadden, dus in grotere aantallen voorkwamen dan specialisten. Dit gaat in tegen het heersende idee dat generalisten normaal gesproken lokaal niet opgewassen zijn tegen specialisten. Von Meijenfeldt: “Het idee is dat generalisten van alles kunnen, maar van alles maar een beetje. En dat specialisten helemaal aangepast zijn aan hun eigen omgeving. De verwachting was daarom dat specialisten lokaal zouden domineren. Maar we zien dus precies het tegenovergestelde. Generalisten blijken opportunistisch: als de condities goed zijn, dan overgroeien ze alles. Specialisten kwamen in lagere aantallen voor, maar zaten dan wel stabieler op hun plek.”

Snel aanpassen

Door het DNA van generalisten en specialisten te analyseren, kwamen de onderzoekers tot nog meer verrassende ontdekkingen. Het wordt namelijk vaak geopperd dat generalisten veel DNA nodig hebben. Een gevarieerd genenpakket zou ze namelijk in staat stellen om van allerlei verschillende grondstoffen te kunnen leven. Maar Von Meijenfeldt en collega’s zagen niet dat generalisten meer DNA hadden dan specialisten.

Generalisten die familie van elkaar zijn, lijken dan wel weer minder op elkaar dan specialisten die aan elkaar verwant zijn. Dat komt mede doordat generalisten meer ingesteld blijken te zijn op het opnemen van nieuw DNA uit hun omgeving of via andere bacteriën of virussen, wat ze helpt snel aan te passen aan nieuwe omgevingen. Het DNA van specialisten blijkt juist stabiel te zijn en dus niet zo snel te veranderen. Von Meijenfeldt: “Specialisten zitten vaak in een vergelijkbare omgeving, dus hoeven ze ook niet zo snel te veranderen.”

We weten eigenlijk nog weinig over hoe microbiële gemeenschappen zich vormen en waarom de ene microbe hier leeft en de andere daar.

Begrip

Von Meijenfeldt geeft aan dat het onderzoek zorgt voor beter begrip over hoe gemeenschappen van micro-organismen werken.  Von Meijenfeldt: “We weten eigenlijk nog weinig over hoe microbiële gemeenschappen zich vormen en waarom de ene microbe hier leeft en de andere daar. Terwijl microben natuurlijk superbelangrijk zijn. Denk bijvoorbeeld aan bacteriën in onze darmen en de rol die microben spelen in chemische kringlopen. Ons onderzoek geeft inzicht in hoe microbiële gemeenschappen ecologisch en evolutionair in elkaar zitten.”