Bacterie levert antischimmelmiddel aan kever en toont waar te zoeken naar nieuwe antibiotica

Het leven is niet makkelijk als je een kever bent. Allerlei dingen willen je opeten en je kan daar niet veel tegen beginnen want je bent maar klein. En als je dan gelukkig genoeg bent om je te kunnen voortplanten, dan kan er een lelijke schimmel langskomen en je eieren vernietigen. 

Een Zuid-Amerikaans kevertje met de welluidende naam Lagria villosa heeft wat dat betreft echter geluk: zijn voorouders hebben lang geleden bacteriën opgepikt die een aardig trucje kunnen. De bacteriën hebben een gen dat hen toelaat de chemische stof lagriamide aan te maken, een stof die schimmels bestrijdt. En de kevers hebben geleerd om hun eieren met de bacterie te bedekken, wat de eieren helpt om aanvallen van gevaarlijke schimmels te overleven. 

In een nieuwe studie hebben Duitse en Amerikaanse onderzoekers de genetische geschiedenis van dit partnerschap tussen een kever en een bacterie blootgelegd. Ze ontdekten dat de microbe die lagriamide aanmaakt, gaandeweg genen verloren is, een heleboel zelfs, dat ze ook een aantal genen verkregen heeft van andere bacteriën, en dat de bacterie en de kever meer afhankelijk van elkaar zijn geworden.

Dit soort van genetisch speurwerk kan onderzoekers helpen om te beslissen waar en hoe ze naar nieuwe geneesmiddelen moeten zoeken, zeggen de onderzoekers

"De helft van de geneesmiddelen die we momenteel gebruiken werden eerst ontdekt in moleculen van natuurlijke oorsprong, maar de vraag is waar we moeten zoeken naar nieuwe soorten chemische stoffen", zei Jason Kwan, professor farmacie aan de University of Wisconsin-Madison en de leider van de nieuwe studie. "We proberen te begrijpen hoe en waarom kleine molecules zich ontwikkelen, omdat dit ons zal toelaten te achterhalen in welk soort omgevingen we moeten kijken naar specifieke types van moleculen die bepaalde dingen doen." 

In de wereld zijn er naar schatting een biljoen verschillende soorten bacteriën, en slechts een fractie daarvan kan in labo's gekweekt worden. Een heleboel symbiotische bacteriën - bacteriën die in een wederzijds voordelige relatie leven met een ander organisme - kunnen niet geïsoleerd worden in een labo, omdat ze het vermogen verloren hebben te leven buiten de planten of dieren die hun gastheer zijn. Maar die gastheren houden die bacteriën net bij zich omdat ze nuttige chemische stoffen produceren, stoffen die ook voor ons mensen nuttig kunnen zijn. 

En dus wendden Kwan en zijn team zich tot geavanceerd genetisch sequencen - het vast­stellen van de volg­or­de van de basen in DNA - om de genomen - het geheel aan genetische informatie - van elke bacteriesoort te ontrafelen die leeft in de Lagria-kevers die zijn Duitse collega's verzameld hadden. 

Lagria villosa zijn plaagkevers op soja in Zuid-Amerika en ze hebben structuren ontwikkeld om bacteriën in onder te brengen die hen toelaten de bacteriën door te geven aan hun nageslacht. Wetenschappers denken dat het lagriamide is dat achter dit partnerschap zit, en het team van Kwan wilde achterhalen welke bacterie dit schimmelbestrijdende middel produceerde.

De onderzoekers onderzochten al de genetische informatie nauwgezet en zagen dat de kever gastheer is voor een aantal bacteriën die bekend staan als Burkholderia. De meest voorkomende Burkholderia-soort was ook de enige die in staat was lagriamide aan te maken, en die soort had reeds een heleboel van haar sleutelgenen verloren. Het genoom van de soort was teruggevallen tot slechts een vierde van de grootte van het genoom van zijn nauwste vrijlevende verwant. 

Kwans team ontdekte dat de bacterie ergens tussen 5 en 10 miljoen jaar geleden een stel genen verworven heeft die haar toelieten lagriamide te maken. De bacterie pikte de genen op van een andere, onbekende bacterie.  Dit soort van uitwisseling van genen komt veel voor bij bacteriën en wordt bacteriële conjugatie genoemd. 

"We denken dat deze genen voor lagriamide verworven werden door een vrijlevende voorvader van deze symbiont. En vervolgens kwam de symbiose tot stand omdat het aanmaken van lagriamide de kever een overlevingsvoordeel gaf, mogelijk omdat meer van zijn jongen schimmelinfecties konden overleven", zei Kwan. 

In de loop van talloze jaren, naarmate de bacterie en de kever meer van elkaar afhankelijk werden, verloor de bacterie het grootste deel van haar genen. Overleven in een gastheer vraagt immers niet even veel genetische instrumenten als op zichzelf leven, en die overbodige genen muteren tot ze uiteindelijk volledig verdwijnen. 

Maar zelfs terwijl de bacterie genen die ze niet langer gebruikte, opzij schoof, nam ze nog steeds nieuwe genen over van verwante microben die ook onderdak gevonden hadden bij de kever. Dat 'verliezen en winnen' wijst erop dat de kleinere genomen die algemeen zijn bij symbionten, niet louter eenrichtingsverkeer zijn naar een afname, zoals vroeger gedacht werd, zo zeggen de onderzoekers.

De les die we hieruit moeten trekken, zei Kwan, is dat onderzoekers die op zoek zijn naar nieuwe geneesmiddelen, de evolutie moeten vertrouwen die gedurende miljoenen jaren krachtige symbiotische partnerschappen heeft scherpgesteld. 

"Deze studie is een voorbeeld van wat evolutie kan doen als het gaat om het vormen van bioactieve molecules", zei Kwan. "Maar ze illustreert ook dat een aantal van de belangrijkste molecules waarschijnlijk gemaakt worden door symbionten, die niet in een labo gekweekt kunnen worden. En dat benadrukt het belang van het bestuderen van alle microben daarbuiten, en niet enkel degene die we kunnen kweken."

De studie van het team van de University of Wisconsin-Madison en collega's van het Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie – Hans-Knöll-Institut en de Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Duitsland is gepubliceerd in mBio. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van UW-Madison.