Bacteriën zijn overal om ons heen – en dat is goed

Victoria Orphan heeft de oceaan liefgehad zo lang als ze zich kan herinneren. Ze snorkelde in de Stille Oceaan bij het huis van haar familie in San Diego, Californië. Ze pakte haar masker en snorkelbuis om de verborgen wereld van planten en dieren onder het oppervlak van de oceaan te bezoeken. Orphan ging naar de Universiteit van Californië, Santa Barbara in de vroege jaren 1990. daar ontdekte ze iets dat de manier waarop ze dacht over de oceanen veranderde-en het leven op aarde.

een andere student toonde haar een klein flesje zeewater. Orphan vond het er niet zo interessant uit zien. Het was gewoon oud water. Toen voegde de andere student een fluorescerende chemische stof toe aan het water en scheen er ultraviolet licht op. De buis lichtte op toen miljoenen kleine bacteriën begonnen te gloeien. Enkele ogenblikken eerder waren de microben onzichtbaar geweest. “Deze kleine organismen waren overal,” zegt wees, ” en toch konden we ze niet zien. We wisten bijna niets over hen.”

ze brengt nu haar dagen door met het verkennen van deze verborgen eencellige wereld. Als geobioloog bij Caltech in Pasadena, Calif. ze bestudeert hoe bacteriën en andere microscopische levensvormen de diepzee vormen.

bacteriën spelen een centrale rol in veel ecosystemen. Deze omvatten de oceanen, de bodem en de atmosfeer. Ze zijn ook een groot deel van het wereldwijde voedselweb. Bacteriën maken het mogelijk dat al het andere leven op aarde bestaat. Daarom zeggen wetenschappers dat deze eencellige organismen de onzichtbare ruggengraat van al het leven zijn — tenminste op aarde.

toch is er veel dat we niet weten over hen. Wetenschappers denken dat ze minder dan één procent van alle bacteriesoorten hebben geïdentificeerd. Dat drijft Orphan en anderen om de mysteries van hun eencellige wereld te verkennen. Ze vermoeden dat bacteriën de sleutel zullen blijken te zijn tot het begrijpen — en beschermen-van de belangrijkste natuurlijke hulpbronnen van de aarde.

de methaaneters

sommige bacteriën eten echt rare dingen. Wetenschappers hebben bacteriën gevonden die rotsen eten, riolering-zelfs nucleair afval. Wees bestudeert een soort bacteriën die op de zeebodem leven en methaan opslokken.

methaan is een broeikasgas. Net als kooldioxide en enkele andere broeikasgassen, komt het de lucht in wanneer mensen olie, gas en steenkool verbranden. Er zijn ook natuurlijke bronnen van methaan, zoals aardgas, rijstproductie en koeienmest. Broeikasgassen vangen warmte in de atmosfeer. Een overmaat van deze gassen in de atmosfeer van de aarde heeft het globale klimaat verwarmd.

methaan kan op de zeebodem uit de aarde sijpelen. Sommige wetenschappers zeggen dat er nog meer methaan in de atmosfeer zou ontsnappen als er geen mariene bacteriën waren. Sommige bacteriën eten methaan. Daardoor kunnen de oceanen een enorme hoeveelheid gas vangen. “Deze micro-organismen zijn de poortwachters. Ze voorkomen dat oceaanmethaan in de atmosfeer terechtkomt waar het broeikasgas kan veranderen,” legt Orphan uit.

het vinden van eencellige organismen op de uitgestrekte zeebodem kan een uitdaging zijn. Door het raam van een onderzeeër zoekt ze naar clusters van kokkels en gigantische buiswormen. Deze organismen geven aan dat er ook onzichtbare mariene bacteriën leven. Waar die methaaneters ook wonen, ze creëren nieuwe moleculen tijdens het eten. Andere organismen gebruiken die nieuwe moleculen als voedsel. Een heel voedselweb ontspringt op de oceaanbodem.wees en haar team hebben methaan-etende bacteriën gevonden langs scheuren op de zeebodem, waar dit gas naar buiten sijpelt. Deze scheuren komen vaak voor waar twee tektonische platen tegen elkaar botsen.sommige bacteriën, zo leerden ze, kunnen alleen methaan eten door samen te werken met andere eencellige organismen genaamd archaea (Ar-KEE-uh). Dat belangrijke detail kan wetenschappers helpen beter te voorspellen hoeveel methaan er in de lucht ontsnapt, zegt Orphan.

in de loopgraven

Methaaneters zijn niet de enige diepzeebacteriën die wetenschappers interesseren. “De diepzee is de thuisbasis van een aantal mooie coole microben,” zegt Jennifer Biddle. Ze is een mariene microbioloog aan de Universiteit van Delaware in Newark. Biddle bestudeert bacteriën die in diepe loopgraven in de oceaan leven.

deze onderwater canyons zijn enkele van de minst bestudeerde plaatsen op aarde. Ze zijn ongelooflijk moeilijk te bereiken. Challenger Deep wint het record voor de diepste plek op de planeet. Op de bodem van de Marianentrog, in de westelijke Stille Oceaan, ligt Challenger diep zo ‘ n 11 kilometer (meer dan 7 mijl) onder het oceaanoppervlak. Als Mount Everest, ‘ s werelds hoogste berg, in de Marianentrog zou zitten, zou zijn piek nog steeds meer dan een mijl onder de golven zijn.de Marianentrog is een van de moeilijkste plekken om te overleven. Nul zonlicht bereikt het. De temperaturen zijn frigide. Grote dieren, zoals walvissen of vissen, kunnen niet op bezoek omdat de intense druk daar hen zou verpletteren. Weinig verrassing, dan, dat de meeste van de lokale bevolking microscopisch zijn. Ze hebben de extreme omstandigheden aangepast.

Biddle en andere wetenschappers werkten samen met diepzeeverkenners om een onderzeeër naar Challenger Deep te sturen. James Cameron bestuurde het schip. (Hij is de filmregisseur bekend voor Avatar en Titanic. Cameron bezocht de bodem van Challenger Deep In maart 2012 tijdens het maken van een documentaire genaamd Deepsea Challenge 3D. maar de trek van de onderzeeër was niet alleen om betoverende video Voor het grote scherm te krijgen. Het schip bracht ook sediment terug van de bodem van de Geul.

Biddle en de andere wetenschappers hebben dat sediment onderzocht op DNA. Ze zochten naar genen van bekende bacteriën. Ze hebben bewijs gevonden van Parcubacteriën.

wetenschappers wisten niet eens dat deze grote groep bacteriën bestond tot 2011. Toen vonden ze wat in grondwater en vuil van een paar plaatsen op het land. Maar Biddle ‘ s groep liet nu zien dat het ook overleeft in een van de meest ontoegankelijke diepten van de oceaan.

hier, op de loopgraafvloer, ademden de microben stikstof, geen zuurstof (zoals op het land). En dat is logisch. Ze hadden zich aangepast aan stikstof omdat hun huis weinig toegang had tot zuurstof.

hoe meer plaatsen we zulke weinig bekende bacteriën vinden, zegt Biddle, hoe meer we kunnen leren over wat ze doen voor hun ecosystemen.

verhaal gaat verder onder video.

van brood tot biobrandstoffen

zelfs de bacteriën in onze keukens en composthopen interesseren wetenschappers.

zuurdesembrood krijgt zijn unieke smaak wanneer een mix van bacteriën op de suikers in broodmeel knabbelt. Deze bacteriën maken kooldioxide, zuren en andere smaakvolle verbindingen. Maar om te functioneren hebben zuurdesembacteriën hun vrienden nodig. Isoleer slechts één bacteriesoort uit de mix en de chemische reactie zal niet gebeuren. Geen zuurdesem.microbioloog Steve Singer woont in de buurt van San Francisco, een Californische stad die bekend staat om zijn zuurdesembrood. Hij werkt voor het Department of Energy van het Lawrence Berkeley National Laboratory. Hij vermoedde dat hij de lessen zuurdesem kon gebruiken om betere biobrandstoffen te maken. Deze plantaardige brandstoffen kunnen auto ‘ s of vrachtwagens aandrijven. Ze worden beschouwd als “groen”, wat meer aarde-vriendelijk betekent, dan fossiele brandstoffen.

om biobrandstoffen te maken, moeten wetenschappers planten afbreken tot suikers. Deze suikers kunnen dan worden omgezet in brandstoffen zoals ethanol (een soort alcohol). De chemische reacties die de planten afbreken vereisen hulp van enzymen. Dit zijn moleculen die chemische reacties op gang brengen of versnellen.

de enzymen die momenteel worden gebruikt om biobrandstoffen te maken, zijn duur. Ze werken ook niet goed, zegt Singer. Daarom zijn onderzoekers over de hele wereld op zoek naar enzymen die de kosten kunnen verlagen en de productie van biobrandstoffen kunnen versnellen.

hij richtte zijn zoektocht naar hen op de compoststapel. Daar waren bacteriële gemeenschappen hard aan het werk om rottend fruit en groenten af te breken.

Singer nam een klein monster van de compost terug naar zijn lab. Daar liet hij bacteriën uit de compost groeien in een bekerglas. Later verzamelde hij enzymen die deze bacteriën maakten en testte ze op andere plantenbits. Het werkte: de enzymen braken de planten af in suikers.net zoals de zuurdesembacteriën hun vrienden nodig hebben om te functioneren, ontdekte Singer dat deze microben de nuttige enzymen alleen produceerden wanneer ze deel uitmaakten van robuuste gemeenschappen van verschillende compostbacteriën. Singer is nu zijn project aan het opschalen. Zijn team kweekt bacteriën in grote vaten genaamd bioreactoren. Nadat hij veel van de nieuwe enzymen heeft gemaakt, kan hij testen of ze beter werken dan bestaande enzymen voor het omzetten van plantaardig afval in brandstoffen.

” iets uit de omgeving nemen en proberen uit te vinden hoe het werkt is een van de beste onderdelen van een microbioloog zijn, ” zegt Singer.

Metamicroben

Singer bestudeert zijn nieuwe enzymen zonder te weten welke bacteriën ze maken. Dit is niet zo ongewoon. Bacteriën zijn onzichtbaar voor het blote oog. Zelfs met een microscoop kan het moeilijk zijn om twee soorten uit elkaar te houden. Ze zien er niet zo verschillend uit als twee soorten vogels of bloemen.

wetenschappers hadden een andere manier nodig om bacteriën uit elkaar te houden en te weten wanneer ze Nieuwe hebben ontdekt. Sleutel tot dit speurwerk: DNA.

alle organismen werpen een beetje DNA af in hun omgeving. “Het is als een vingerafdruk. Elk is uniek”, legt Kelly Ramirez uit. Ze studeert bacteriën aan het Nederlands Instituut voor ecologie in Wageningen.neem een wattenstaafje in uw keuken en het kan zijn dat u menselijk DNA vindt (van u en uw ouders). Er kan wat planten DNA (van de groenten die je net gesneden) en van een schimmel of twee. Er kan zelfs wat hond of kat DNA als je een huisdier. Je krijgt ook een hoop bacterieel DNA omdat, nou ja, bacteriën a overal!

alle afgeworpen genetische bits staan bekend als omgevingsdna of eDNA.

wetenschappers kunnen deze genetische vingerafdrukken gebruiken om nieuwe bacteriën te ontdekken, merkt Ramirez op. Ze hoeven alleen maar een klein beetje vuil of zeewater of compost naar een lab te brengen en te kijken wat er in zit.

De som van al het genetisch materiaal in een omgeving wordt het metagenoom (MET-uh-GEE-noam) genoemd. Zie het als een DNA-soep. Alle moleculen die worden gebruikt om de genen van verschillende organismen te bouwen zijn door elkaar gehaald.

wetenschappers gebruiken computers om de rommel te ontwarren.

net als een zeef filteren computerprogramma ‘ s de soep. Ze zoeken naar bekende patronen die bekend staan als genetische sequenties. Ze vormen de DNA-vingerafdruk van een organisme. Als wetenschappers een vingerafdruk vinden die ze niet herkennen, kan het zijn omdat het van een nieuwe soort is.

wetenschappers kunnen deze patronen vergelijken met de vingerafdrukken van bekende bacteriën om te zien waar de nieuwe bacteriën binnen de boom van het leven vallen. “We kunnen nu nieuwe microben ontdekken zonder ze ooit te zien”, legt Biddle aan de Universiteit van Delaware uit.

de bacteriële ledemaat van de levensboom ontkiemt sneller nieuwe scheuten en takken dan op enig moment in de geschiedenis. Dertig jaar geleden, alle bekende eencellige organismen op de planeet passen in een dozijn grote groepen. Nu zijn er ongeveer 120 bekende groepen, of phyla (FY-lah). En het aantal benoemde bacteriën in elke groep groeit dagelijks.

Little life, big data

Wat krijg je als je de DNA-sequenties van miljoenen nieuwe bacteriën optelt? Heel veel data.

je kunt denken over de planeet als een machine, en alle ecosystemen op aarde als de onderdelen van de machine, zegt Jack Gilbert. Al deze gegevens over bacterieel DNA zijn de sleutel tot “het begrijpen van de onderdelen waaruit de machine bestaat en hoe ze allemaal samenwerken”, zegt hij. Gilbert is microbioloog bij Argonne National Laboratory in de buurt van Chicago, Ill.

zijn team probeert deze gegevens te ordenen in een virtuele catalogus van alle bacteriën op aarde. Het heet Het Earth Microbiome Project. Meer dan 1.000 wetenschappers over de hele wereld helpen monsters te verzamelen. Ze zoeken in verschillende omgevingen en testen ze dan op bacterieel DNA.

tot nu toe hebben de onderzoekers 100.000 monsters verzameld. Ze hebben bacteriën uit de diepste oceaan gecatalogiseerd. Ze hebben bacteriën gevonden op het Internationale Ruimtestation, zo ‘ n 350 kilometer boven de aarde. Ze hebben bacteriën ontdekt in exotische locaties zoals het Amazoneregenwoud en gewone plaatsen zoals openbare toiletten.

ontdekken welke bacteriën daar op de loer liggen-en waarom-is de eerste stap om te begrijpen hoe verschillende ecosystemen de enorme machine aandrijven die we als leven op aarde beschouwen. Leren over bacteriën kan ons helpen vragen te beantwoorden over hoe onze planeet werkt, zegt Gilbert. Bacteriën kunnen verklaren waarom koraalriffen in de oceaan wemelen van leven. Of ze kunnen verklaren waarom de bodem van de Noord-Amerikaanse prairie zo goed is voor het planten van gewassen.

daarom is deze zoektocht zo belangrijk, zegt hij: “dit is kennis die ons kan helpen beter voor de planeet te zorgen.”