Biomedische ingenieurs aan de Duke University hebben een microbieel gemeenschapsfenomeen aangetoond dat in wezen neerkomt op het leren van buren hoe ze noodzakelijke taken moeten uitvoeren door delen van de hersenen eruit te scheuren en te delen.

Het proces stelt microbiomen in staat zichzelf en hun omgeving gezond te houden en zou wetenschappers kunnen helpen bij het creëren van robuuste, op maat gemaakte microbiële systemen voor toepassingen variërend van het verwijderen van giftige stoffen uit de omgeving tot het produceren van biobrandstof en andere consumentenproducten.

Het onderzoek verschijnt op 1 september online in het tijdschrift Nature Chemical Biology .

Overal ter wereld leven grote, complexe microbiële gemeenschappen, van rivieren en bergen tot mensen en huizen. Maar of het nu gaat om het vergelijken van microbiomen op besneeuwde bergtoppen in Azië of in de magen van identieke menselijke tweelingen, de samenstelling van soorten binnen deze gemeenschappen kan sterk variëren.

Hoe verschillend deze microbiomen ook lijken aan de oppervlakte, als ze in vergelijkbare omgevingen leven, zullen ze waarschijnlijk dezelfde functies vervullen. Een manier om te evalueren welke processen ze uitvoeren, is door te focussen op de genen die coderen voor de functies in plaats van op de soort zelf.

"Als je het aantal kopieën telt van genen die voor een bepaalde functie coderen, kan hun aantal stabiel blijven, zelfs als de soortensamenstelling van de gemeenschap drastisch verandert", zegt Lingchong You, hoogleraar biomedische technologie aan Duke. "Een belangrijke route naar dit niveau van stabiliteit is via horizontale genoverdracht."

Horizontale genoverdracht is het proces waarbij bacteriën voortdurend genetische recepten delen voor nieuwe vaardigheden door pakketten genetisch materiaal, plasmiden genaamd, uit te wisselen. Op conceptueel niveau is het niet helemaal hetzelfde als het maken van een kopie van een verzameling neuronen die weet hoe lasagne te maken, het uit je hoofd te scheuren en het aan een vriend te geven om te gebruiken.

In het nieuwe artikel laten You en zijn collega's zien dat deze genoverdracht een essentiële rol speelt bij het gezond houden van microbiomen en ervoor zorgen dat kritieke taken worden voltooid. Beginnend met twee verschillende soorten bacteriën, controleerden de onderzoekers de niveaus van horizontale genoverdracht en toonden aan dat hogere snelheden leidden tot stabielere concentraties van deze genen.

Het team bouwde vervolgens een gemeenschap van maximaal 72 bacteriën die tot 13 verschillende genen tegelijkertijd verwisselden en mat de stabiliteit van de genen. Net als bij het eenvoudigere model, behielden de genen die vaker werden verhandeld een stabieler niveau binnen het microbioom als geheel.

"Over deze resultaten is eerder gespeculeerd, maar nooit gekwantificeerd binnen levende gemeenschappen," zei You. "De andere route naar dit niveau van redundantie is om meerdere soorten te hebben die dezelfde functie kunnen uitoefenen. Maar een hoog niveau van horizontale genoverdracht is een veel robuustere methode om dezelfde resultaten te bereiken."

Anders gezegd, een bouwploeg zou extreem veerkrachtig kunnen zijn tegen het stoppen van elektriciens als de loodgieters ter plaatse ook wisten hoe ze een gebouw moesten bedraden. Maar dezelfde bemanning zou nog veerkrachtiger zijn als de overgebleven elektriciens hun expertise eenvoudig zouden kunnen overdragen aan iedereen die aan het werk is wanneer dat nodig is, ongeacht hun beroep.

In de toekomst hoopt You natuurlijke microbiële gemeenschappen te bestuderen om definitief te bewijzen dat dit fenomeen buiten een laboratorium belangrijk is voor de gezondheid van een microbioom. Hij is ook van plan deze dynamische taakverdeling te implementeren door middel van horizontale genoverdracht in gemanipuleerde microbiële systemen.

"Er zijn gevallen waarin complexe metabole routes moeilijk te construeren zijn in een enkele bacteriesoort, waar het gemakkelijker is om verschillende populaties verschillende stappen van het proces te laten uitvoeren", zei u. "Deze studie suggereert dat we die strategie kunnen implementeren door middel van genoverdracht, zodat we ons geen zorgen hoeven te maken over de specifieke samenstelling van soorten. We kunnen de gemeenschap gewoon de beste balans voor zichzelf laten vinden, terwijl we toch weten dat ze de baan zal blijven krijgen gedaan." + Verder verkennen

Duizenden genen uitgewisseld binnen microbiële gemeenschappen die op kaas leven