Tijdens een grote uitbraak kan een virus evolutionair onveranderd blijven

Hoewel virussen erom bekend staan dat ze snel evolueren, doen ze dat niet altijd. Nieuw onderzoek toont aan dat een bacteriofaag, een virus dat bacteriën infecteert, zelfs tijdens enorme uitbraken genetisch stabiel kan blijven. Maar wanneer het virus wordt overgezet naar een nieuwe gemeenschap van bacteriën, evolueert het wel snel. De studie van Utrechtse bioinformaticus Jeroen Meijer, emeritus hoogleraar Paulien Hogeweg en collega’s van Friedrich Schiller University Jena en het Max Planck Institute for Evolutionary Biology in Plön werd onlangs gepubliceerd in het vakblad Science Advances.

Meijer en collega’s analyseerden de gegevens van een eerder uitgevoerd experiment. Daarbij verzamelden onderzoekers op tien verschillende plekken uit dezelfde composthoop in Parijs steeds één gram compost. Daarin zaten allerlei micro-organismen, zoals bacteriën, virussen en schimmels. Vervolgens groeiden de onderzoekers de verschillende verzamelingen micro-organismen een jaar lang in het lab, waar ze cellulose te eten kregen. Iedere twee weken zetten ze een beetje van iedere gemeenschap over naar een schone leefomgeving met nieuw voedsel.

Gedurende het jaar verzamelden de onderzoekers op verschillende momenten al het DNA dat in de gemeenschappen aanwezig was. Maar de oorspronkelijke onderzoekers gebruikten de DNA-gegevens niet om te kijken welke micro-organismen er steeds aanwezig waren. Meijer: “Wij vonden dit een interessant experiment en we dachten: mogen wij dat dan niet doen?”

Je kunt veel leren van studies met één gastheer en één virus. Maar als je het wat ingewikkelder maakt en gaat kijken wat er in een gemeenschap gebeurt, kan de interactie tussen de gastheer en het virus heel anders verlopen.

Enorme uitbraken

Dat mocht. Zo konden Meijer en collega’s volgen hoe de verschillende gemeenschappen zich in de loop van het jaar ontwikkelden. “We kwamen erachter dat in ongeveer de helft van de gemeenschappen enorme virusuitbraken voorkwamen. Soms bestond op een gegeven moment zeventig procent van al het DNA in een gemeenschap uit het DNA van één bepaald virus. Eerst dacht ik nog: dit kan niet kloppen. Want er zitten honderden bacteriesoorten en andere micro-organismen in die gemeenschappen en virussen hebben heel weinig DNA. Maar verschillende tests lieten zien dat het toch echt zo was.”

Nieuw virus

Het bleek te gaan om een nog onbekend virus. Een bacteriofaag die ze Theomophage noemden, naar de plaats waar hij gevonden was: Place Théodore-Monod. Terwijl virussen erom bekend staan dat ze snel kunnen evolueren, bleek dat Theomophage juist niet veranderde tijdens de enorme uitbraken. “Bij experimenten in het lab, vaak uitgevoerd met één soort bacterie als gastheer en één virus, zie je vaak een wapenwedloop, waarbij het virus zich aanpast aan de bacterie, en de bacterie vervolgens weer verandert om het virus te ontlopen. Dan krijg je hele snelle evolutie. Dat was wat ik ook hier verwachtte, zeker bij zulke grote uitbraken.”

Om faagtherapie goed te laten werken, moeten we goed begrijpen hoe de evolutionaire en ecologische dynamiek tussen bacteriën en virussen in een complexe omgeving werkt.

Onbekende gastheer

Maar niets bleek minder waar: het virus evolueerde niet. Hoe kan dat? “Omdat het virus nieuw is, kunnen we voorlopig alleen raden wat de gastheer is, ofwel welke bacterie het virus infecteert. We kunnen dus ook nog niet zeggen wat er precies gebeurd is. Het kan zijn dat, door de transfer naar het lab, waar de omstandigheden toch anders zijn dan in de composthoop, de bacterie die het virus infecteert de overhand kreeg, waardoor het virus kon pieken zonder zich aan te hoeven passen. Maar je zou dan verwachten dat de bacterie vervolgens evolueert om aan het virus te ontsnappen, zodat het virus ook weer moet evolueren. Maar dat zien we dus niet.”

Meijer heeft hier een mogelijke verklaring voor. “In tegenstelling tot die experimenten in het lab tussen één virus en één gastheer, hebben we hier een hele gemeenschap van micro-organismen. Mogelijk verandert de gastheer niet, omdat er allerlei interacties bestaan met allerlei andere elementen in de gemeenschap die voor de gastheer misschien belangrijker zijn dan het effect van het virus.”

Wel snelle evolutie na overzetten

De massale uitbraken vonden plaats in gemeenschappen waar het virus in de composthoop al voorkwam. Maar er waren ook gemeenschappen waar het virus nog niet voorkwam. Wanneer de virussen uit de gemeenschappen met Theomophage werden overgezet naar andere gemeenschappen, zagen de onderzoekers iets heel anders: Theomophage evolueerde daar juist snel.

“Al heel snel zagen we daar recombinatie: het DNA van verschillende virusvarianten werd gecombineerd tot nieuwe varianten. Ook zagen we nieuwe variaties in het DNA van het virus opduiken, vooral in gemeenschappen waar Theomophage eerder niet voorkwam. Het kan zijn dat dat nieuwe mutaties zijn, of dat het varianten waren die er al wel waren, maar die we eerder nog niet konden detecteren omdat ze zo weinig voorkwamen.”

Faagtherapie

Wat zeggen deze resultaten nou over eerdere studies met virussen? “Je kunt veel leren van studies met één gastheer en één virus,” zegt Meijer. “Maar als je het wat ingewikkelder maakt en gaat kijken wat er in een gemeenschap gebeurt, kan de interactie tussen de gastheer en het virus heel anders verlopen. We kunnen dus niet zomaar labresultaten vertalen naar wat er in de complexe werkelijkheid gebeurt.”

Meijer geeft aan dat het belangrijk is dat we beter begrijpen hoe virussen zich gedragen buiten het lab. “Met de toegenomen antibioticaresistentie van ziekmakende bacteriën, hebben veel mensen hun hoop gevestigd op faagtherapie, waarbij bacteriofagen gebruikt worden om bacteriële infecties te bestrijden. Om dat goed te laten werken, moeten we goed begrijpen hoe de evolutionaire en ecologische dynamiek tussen bacteriën en virussen in een complexe omgeving werkt.”