Migratie en groei stabiliseren ecosysteem

Zolang de ene bacteriestam de andere overtreft in migratie- of groeisnelheid, blijven de twee naast elkaar overleven.

De competitie tussen twee bacteriestammen, waarbij de ene een strategie van groeien aanneemt, en de ander kiest voor migratie, leidt tot stabiliteit in een mini-ecosysteem waarbij de stammen naast elkaar bestaan. Dat concluderen biofysici van het AMOLF-instituut uit Amsterdam en Harvard University in een artikel in Nature (19 februari).

Rondgeschud
‘Meestal zetten wetenschappers die naar twee bacteriestammen in competitie kijken de bacteriën in een vloeistofomgeving in een erlenmeyer die wordt rondgeschud. Daarmee selecteer je echter alleen op groei, want actief bewegen heeft voor een bacterie in zo’n omgeving weinig zin’, vertelt Sander Tans, laatste auteur van het Nature -paper. ‘Daarom ontwikkelden we een ander assay. In de gel waar we onze bacteriën op kweken kunnen ze groeien én bewegen.’

Door twee E.coli -stammen – die uit de darmen van dezelfde gastheer komen – aan te brengen op ofwel de rand, ofwel in het centrum van petrischaaltjes met een speciale gel, ontstaan deze patronen waarbij de stammen naast elkaar leven. Foto: Amolf.

Stammen
In de vloeistofomgeving in een erlenmeyer verdrijft uiteindelijk altijd een van de stammen de andere stam. ‘In ons assay vormen de stammen een stabiele co-existentie. Daar werden we door verrast. We wilden beweging en groei onderzoeken, maar hadden zo’n stabiliserend effect niet per se verwacht’, vertelt Tans. Om het onderzoek te vergemakkelijken gaven de onderzoekers de verschillende bacteriestammen elk een plasmide mee, waardoor de ene stam rood oplichtte onder de microscoop en de andere blauw. ‘Ook al begin je met heel weinig ‘blauwe’ bacteriën, of juist heel weinig ‘rode’, ze kunnen zich toch herstellen en een stabiel ecosysteem vormen’, aldus Tans. Om met weinig exemplaren toch te overleven moet de bacterie een ‘slimme’ strategie aannemen. Als de blauwe stam bijvoorbeeld beter is dan de rode in migreren, kan de blauwe zo snel mogelijk naar de randen van de gel migreren. Zo kan de blauwe stam een ring vormen rond de rode en die daardoor insluiten.

Uitzondering
De onderzoekers onderwierpen verschillende bacteriestammen aan hun competitie-assay. Daarbij gebruikten ze steeds twee E. coli -stammen die in hun gastheer samen voorkomen in de darmen; in hun natuurlijke omgeving maken de twee stammen dus ook deel uit van hetzelfde ecosysteem. ‘Bij bijna alle paren zagen we dat ofwel de rode, ofwel de blauwe stam beter was in bewegen of in groeien, zodat er uiteindelijk een stabiel systeem ontstaat. Er was één uitzondering; daarbij bleek een stam de ander te overtreffen in zowel migratie als groei. Dat dat meestal niet zo is, was op zichzelf een nieuwe en interessante observatie’, vertelt Tans. Om te controleren of het stabiliserende effect enkel veroorzaakt werd door groei en beweging, creëerden de onderzoekers twee bacteriestammen die ze genetisch aanpasten. De twee stammen waren genetisch volledig identiek met één verschil: een van de twee kreeg een hogere groei- of beweegsnelheid. Ook bij dit experiment bleek dat de stammen stabiel naast elkaar bleven leven. ‘Dat is een fundamenteel verschil met eerder onderzoek’, licht Tans toe. ‘Uit de plantenwereld zijn bijvoorbeeld wel modellen bekend waarbij planten inzetten op migratie, dus hun zaden ver weg verspreiden, of op groei, dichtbij. Maar bij planten is het lastig om het mechanisme erachter echt te bewijzen; andere factoren zouden ook een rol kunnen spelen. Wij sluiten die andere factoren nu uit.’

Theoretisch biofysicus Greg Stephens van de Vrije Universiteit in Amsterdam, niet betrokken bij het onderzoek, vindt het een mooie studie: ‘Ik denk dat het een goed voorbeeld is van de kracht van biofysica. Ze nemen een zo controleerbaar mogelijk organisme dat toch iets kan zeggen over een complex fenomeen, en krijgen zo echt inzicht in de achterliggende mechanismen. En met zo’n conceptueel ‘simpele’ opstelling kunnen ze toch ook iets zeggen over andere ecosystemen.’