De gemene deler van microbiomen

Verbeelding van de zoektocht naar alom vertegenwoordigde microbiomen. Illustratie: Antoine Doré

Microbiomen zijn welhaast het nieuwe toverwoord van vrijwel alle biologen. Het Amsterdam Microbiome Initiative gaat nu op zoek naar de gemeenschappelijke rol die zulke microbiële gemeenschappen spelen, ter land, ter zee en van mond tot darm en brein.

‘We weten niet precies wat ze doen, maar we weten wel dat ze eigenlijk overal opduiken en dat de samenstelling ervan vaak een indicator is van gezondheid. Het fascinerende is dat microbiomen een invloed uitoefenen op bijna alle levende systemen, in en rond de wortels van planten, in de darmen van mensen en zelfs effect hebben op onze hersenen. Wij hopen nu een vinger te krijgen achter de fundamentele eigenschappen van microbiomen, door de dynamiek en het functioneren van heel verschillende microbiomen op een gecoördineerde manier te bestuderen. Welke factoren bepalen het functioneren van microbiomen en spelen een rol in de interacties met hun gastheren of omgeving? En uiteindelijk willen we ook weten wat de betekenis is van variatie en veranderingen in microbiomen’, zegt medisch bioloog Stanley Brul, hoogleraar moleculaire biologie en microbiële voedselveiligheid aan de Universiteit van Amsterdam (UvA). Hij coördineert het dit jaar gestarte Amsterdam Microbiome Initiative waarin ruim tien onderzoeksgroepen participeren. Onderzoek met een systeembiologische aanpak aan microbiomen bij zowel mensen, meerdere diergroepen en plantensoorten als eencellige organismen (zie ook kader: 'Microbiomen en het Anna Karenina-principe').

‘Juist de multidisciplinaire aanpak en uitwisseling van ervaringen biedt kansen om onderliggende basale patronen op te sporen’

‘Microbiomen van planten of in de darm van dieren zijn natuurlijk heel verschillend van aard, maar het onderzoek ernaar vertoont grote overeenkomst’, benadrukt Bruls collega Age Smilde, hoogleraar biosysteem data-analyse. ‘Je gebruikt dezelfde technieken om aanwezigheid en activiteiten van microben te meten: metabarcoding, metagenomics, en eigenlijk alle andere -omics, waarbij data-analyse en modellering een hoofdrol spelen. Juist in die technieken hebben we hier veel geïnvesteerd en een systeembiologische aanpak is bij uitstek geschikt om samenhang te vinden in de structuren en processen die zich op verschillende organisatieniveaus afspelen in complexe systemen. Er is ook veel kruisbestuiving mogelijk, omdat zich in iedere discipline andere speerpunten hebben ontwikkeld. Juist de multidisciplinaire aanpak en uitwisseling van ervaringen biedt kansen om onderliggende basale patronen op te sporen. We zoeken de gemene deler van microbiomen’, zegt Smilde.

De darmbacterie Lactobacillus paracasei, een van de veel voorkomende bacteriële bewoners van het menselijk darmkanaal. Foto: Horst Neve, Max Rubner-Institut

DARMMICROBIOMEN

Smilde werkt veel aan plantsystemen en in samenwerking met Brul ook aan interacties tussen darmmicrobiomen en humane gastheren. ‘Dat is heel fundamenteel onderzoek met toepassingen, doordat we heel concreet kijken naar effecten van voedingsinterventies en relatie met bepaalde ziekten’, legt Brul uit. ‘Er is bijvoorbeeld al aardig wat bewijs dat de aanwezigheid van de probiotische bacterie Akkermansia een positief effect heeft bij overgewicht. Dat blijkt uit experimenten met obese muizen en mensen, maar we zijn nog ver verwijderd van een goede functionele verklaring hiervoor. We hopen door steeds in en uit te zoomen meer zicht te krijgen op de relaties tussen microbomen en de risico’s op stofwisselingsziekten en ook stoornissen als MS en depressies’, aldus Brul.

Zo is binnen het UvA-Zwaartepunt Urban Mental Health net een promovendus aangesteld die de rol gaat onderzoeken die darmmicrobiomen spelen in depressies. ‘Stadsmensen lijden vaker aan depressie dan mensen op het platteland en er is al enig preklinisch en klinisch bewijs dat verschillen in het darmmicrobioom hierbij een belangrijke rol spelen. Die correlaties willen we empirisch onderbouwen’, vertelt Brul. Hiertoe wordt in samenwerking met psychiaters van Amsterdam UMC sequencedata van het darmmicrobioom gekoppeld aan de depressiegevoelens die individuen ondervinden. Het idee is om dit vervolgens te combineren met de grote hoeveelheid gegevens uit het langlopende Helius-onderzoek, waarin de gezondheidstoestand van duizenden Amsterdammers met een multi-etnische achtergrond al sinds 2011 wordt gevolgd. ‘Met een systeembiologische aanpak hopen we zo op het spoor te komen van de mechanismen die achter de correlaties verborgen gaan.’

STRESSFACTOREN

‘Bij mensen is het vooral observerend onderzoek. Daarom is het zo mooi dat in ons initiatief ook microbiologen en plantwetenschappers participeren. Want die kunnen juist wel veel interventies plegen en via herhaalde experimenten patronen opsporen. Het is bij planten nu eenmaal een stuk eenvoudiger om de microbiota rond de wortels te manipuleren, stressfactoren toe te dienen en de gevolgen voor genexpressie te meten’, meent Smilde. Dit beaamt plantenfysioloog en hoogleraar plantenhormoonbiologie Harro Bouwmeester, trekker van het NWO-Zwaartekrachtprogramma Microbial Imprinting for Crop Resilience (MiCrop). ‘Het bijzondere van MiCrop is dat we naar complete microbiomen kijken, dus zowel naar de microben die aan de buiten als binnenkant van de plant zitten. Het MiCrop-project gaat breed onderzoek doen, door te experimenteren met honderd plantensoorten uit vijf plantenfamilies: vlinderbloemigen, komkommerachtigen, nachtschades, grassen en kolen. Van planten weten we dat ze heel actief signaalstoffen aanmaken en uitscheiden om het microbioom rond hun wortels te beïnvloeden. Zo bevorderen ze hun eigen groei en verweren ze zich tegen pathogenen en plagen met hulp van het microbioom. Deze communicatie van de gastheer met zijn microbioom is bij humaan onderzoek aan microbiomen nog in het duister gehuld. Het Amsterdam Microbiome Initiative zie ik vooral als een platform voor uitwisseling van ervaringen en ideeën. En misschien helpt die kruisbestuiving ook bij het identificeren van fundamentele achterliggende mechanismen.’

'Een superinteressante holobiont om co-evolutie van symbiose aan te onderzoeken’

In het Amsterdam Microbiome Initiative, en het UvA-Zwaartepunt Systems Biology of Host-Microbiome Interactions wat daarvoor de fundamenten vormt, participeren tevens onderzoekers die aan sponzen, koralen en insecten werken. Ook hoogleraar microbiële systeemecologie Gerard Muijzer is van de partij. Zijn groep onderzoekt onder meer de microben die in de wortelzone van het zeegras Zostera marina voorkomen. ‘Rond zeegras komen heel veel vrijlevende symbionten voor die een rol spelen in het ontgiften van sulfide en de productie van ammonium, wat ideale omstandigheden oplevert voor de zeegrassen en het hele voedselweb rond zeegrasweiden’, aldus Muijzer. Een vrij nieuwe onderzoekstak is het werk dat hij samen met marien bioloog Aschwin Engelen van het Center of Marine Science in Faro aan de Algarve is gestart aan de eencellige alg Caulerpa taxifolia (zie kader: ‘Gekke eencellige killeralg’). ‘Een heel veelzijdige, gekke en fascinerende alg. Hij is giftig maar heeft ook nauwe verwanten die goed eetbaar zijn en in Azië als groen kaviaar worden beschouwd. Voor het microbioomonderzoek is deze alg interessant omdat het een eencellige is, maar met het uiterlijk van een wier, waar micro-organismen zowel op als binnenin leven. Een superinteressante holobiont om co-evolutie van symbiose aan te onderzoeken’, aldus Muijzer. ‘We zijn nu bezig hem hier in het lab te kweken. En hoewel ze bekend staat als een invasieve plaag en typisch aquariumplantje, blijkt dat nog knap lastig te zijn.’

Eerdere publicaties over microbiomen in Bionieuws:

Moederkindjes - Maartje Kouwen (Bionieuws, 10 september 2016)
Een steekje los in de darmen - Jop Vrieze (Bionieuws, 6 juni 2015)
Microbioomwetenschap vraagt om scepsis - brief William Hanage (Bionieuws, 13 september 2014)
Op zoek naar oude microvrienden - Jop de Vrieze (Bionieuws, 3 mei 2014)
Poep is ecologische walhalla - Gert van Maanen (Bionieuws, 21 januari 2012)