Veel vitale functies, zoals de opname van voedingsstoffen, regulering van het immuunsysteem of neurologische processen, zijn het resultaat van de interacties tussen het gastheerorganisme en microbiële symbionten. De functionele samenwerking tussen gastheer en micro-organismen, die wetenschappers een meta-organisme noemen, wordt aan de Universiteit van Kiel in detail onderzocht in het Collaborative Research Center (CRC) 1182 Oorsprong en functie van meta-organismen.

Wetenschappers vermoeden dat het microbioom aanzienlijk kan bijdragen aan de aanpassing aan de omgeving en de fitheid van een organisme als geheel. Eén reden hiervoor zien zij in het snelle aanpassingsvermogen van micro-organismen, die vele malen sneller kunnen reageren op veranderende omgevingsomstandigheden dan de gewoonlijk langzamer evoluerende gastheerorganismen.

Hoe de kolonisatie en samenstelling van het microbioom tot stand komen tijdens de individuele ontwikkeling van het gastheerorganisme is onderwerp van huidig ​​onderzoek.

Een team van de onderzoeksgroep Evolutionaire Ecologie en Genetica onder leiding van professor Hinrich Schulenburg van het Zoölogisch Instituut van de Universiteit van Kiel, samen met andere onderzoeksgroepen van de CRC 1182 van verschillende faculteiten en het Max Planck Instituut voor Evolutionaire Biologie in Plön, heeft nu onderzoek gedaan naar de dynamiek van de kolonisatie van het microbioom.

Ze ontdekten dat het microbioom in het gastheerorganisme van de nematode gedurende een lange periode van zijn leven geen willekeurige samenstelling heeft, wat erop wijst dat de microbiële gemeenschap het resultaat is van gerichte selectieprocessen. Het onderzoek is gepubliceerd in mBio .

Deze veronderstelling wordt ondersteund door genoomanalyse van de microbiële soort in het wormmicrobioom. Er zijn talloze genen gevonden die verantwoordelijk zijn voor bepaalde metabolische functies die belangrijk zijn voor het gastheerorganisme en ook relevant zijn in andere organismen.

Met deze resultaten laten de onderzoekers uit Kiel opnieuw zien dat de rondworm Caenorhabditis elegans bijzonder geschikt is als informatief modelorganisme voor onderzoek naar het darmmicrobioom.

Dynamiek van de samenstelling van het microbioom gedurende de levensduur van de nematode

Om de ontwikkeling van de microbioomsamenstelling in C. elegans in de loop van de tijd te bestuderen, gebruikte Dr. Agnes Piecyk, een voormalig onderzoeker in de groep Evolutionaire Ecologie en Genetica, die de experimenten plande en leidde, een karakteristieke gemeenschap van 43 verschillende bacteriesoorten die meestal aangetroffen in de nematode in de natuur.

Ze introduceerde deze microbiële gemeenschap in voorheen kiemvrije dieren en koloniseerde ze op een kweekmedium in de directe omgeving van de wormen en in aparte petrischalen, zonder enig contact met de dieren. De onderzoekers analyseerden vervolgens hoe de samenstelling van deze experimentele microbiële gemeenschap onder verschillende omstandigheden veranderde in de loop van ongeveer een week op zes individuele tijdstippen – wat overeenkomt met de gemiddelde levensduur van de draadwormen.

In de loop van het experiment werd het duidelijk dat tijd alleen een prominente rol speelde in de gastheer-geassocieerde microbiële gemeenschappen, dat wil zeggen de bacteriën die in de wormen leven. "Hun samenstelling veranderde zodanig dat sommige specifieke bacteriesoorten vaker voorkwamen", zegt Dr. Johannes Zimmermann, tevens onderzoeker in de werkgroep Evolutionaire Ecologie en Genetica, die de gegevens analyseerde.

Ochrobactrum- en Enterobacter-bacteriën hopen zich bijvoorbeeld op in de darmen van de worm. "Deze dynamiek kan niet overtuigend worden verklaard door stochastische, dat wil zeggen in principe willekeurige, processen. We wilden daarom uitzoeken of er mogelijk gerichte processen betrokken zijn bij de dynamische verandering van het wormmicrobioom in de loop van de tijd", legt Zimmermann uit.

Genoomanalyse geeft de selectie aan van bepaalde nuttige metabolische functies

In de volgende stap analyseerde het onderzoeksteam de genomen van de micro-organismen in het wormmicrobioom, die alle genetische informatie van de bacteriële gemeenschappen gedurende de levensduur van de wormen bevatten. Interessant genoeg vonden de onderzoekers enkele opvallende overeenkomsten tussen gastheer-geassocieerde microbiële gemeenschappen met genen die bekend zijn uit onderzoek naar het menselijke microbioom.

"Wij veronderstellen dat dit niet het gevolg is van toeval, maar wordt veroorzaakt door specifieke interacties tussen gastheer en microbioom die de samenstelling van het microbioom op bepaalde punten in de levensduur van de gastheer beïnvloeden.

“Een zeer plausibele verklaring voor de accumulatie van bepaalde bacteriesoorten in de wormen vergeleken met de controlegroepen zou daarom kunnen zijn dat de gastheer specifiek bepaalde bacteriën en de daarmee samenhangende functies selecteert, die op hun beurt voordelig zijn voor het gastheerorganisme”, benadrukt Zimmermann. .

Deze hypothese wordt verder ondersteund door het feit dat de gunstige microbiële functies universeel zijn en verder gaan dan C. elegans, bijvoorbeeld de productie van vetzuren met een korte keten, vitamine B12 of andere vitale stoffen.

Modelorganisme voor onderzoek naar het darmmicrobioom

Over het geheel genomen concluderen de onderzoekers dat als gevolg van de dynamiek van de microbioomsamenstelling gedurende de levensduur van de worm, de geassocieerde bacteriesoorten bepaalde concurrentiestrategieën hebben ontwikkeld en dat vooral die soorten de voorkeur genieten die bepaalde nuttige functies aan de gastheer bieden. Concluderend lijken de koloniserende micro-organismen daarom gunstig te zijn voor het gastheerorganisme in het algemeen en het dus te helpen zich aan te passen aan zijn omgeving.

"Met ons nieuwe werk bieden we belangrijke conceptuele fundamenten die ons begrip van de samenstelling en functie van het microbioom vergroten en hoe het gastheerorganisme de samenstelling ervan beïnvloedt", zegt Schulenburg.

"Ons onderzoek op basis van de experimentele microbiële gemeenschap laat ook eens te meer zien dat C. elegans ons een waardevol modelsysteem biedt dat ook relevant is voor het begrijpen van fundamentele processen in het menselijke darmmicrobioom en hun gevolgen voor gezondheid en ziekte", besluit Schulenburg.

Meer informatie: Johannes Zimmermann et al., Darmgerelateerde functies hebben de voorkeur tijdens de assemblage van het microbioom gedurende een groot deel van het leven van C. elegans, mBio (2024). DOI:10.1128/mbio.00012-24

Journaalinformatie: mBio

Aangeboden door de Universiteit van Kiel