Nieuw licht op schitterende bacteriën

De opvallend, intense kleuren die we kennen van vlindervleugels en pauwenveren zijn niet het resultaat van pigmenten of kleurstoffen. Ze ontstaan door minuscule, geordende structuurtjes die het licht op zo’n manier weerkaatsen dat er een levendig kleurenspel ontstaat. Dit fenomeen wordt dan ook structurele kleur genoemd. Bij structurele kleur zie je afhankelijk van de hoek waarop je kijkt vaak andere kleuren, een effect wat iriseren wordt genoemd. Structurele kleur komt wijdverspreid voor in de natuur, en dus ook bij bacteriën.

Individuele, eencellige bacteriën vertonen geen structurele kleur, alleen kolonies van bepaalde bacteriën doen dat. Eerdere studies tonen aan dat specifieke genen die betrokken zijn bij hoe deze bacteriën zich bewegen, de micro-organismen in staat stellen om zich nauwkeurig te ordenen en zo zeer gestructureerde kolonies te vormen die iriserende kleuren kunnen produceren.

Wat precies de functie is van structurele kleur bij bacteriën en welke genen er verder bij betrokken zijn, is voor het grootste deel nog niet bekend. Bij andere levensvormen speelt structurele kleur onder andere een rol bij de communicatie, camouflage of bescherming tegen licht.

Om meer inzicht te krijgen in de genetica achter structurele kleur bij bacteriën, verzamelden de onderzoekers eerst 87 structureel gekleurde bacteriën en 30 nauw verwante niet-iriserende bacteriën. Vervolgens bepaalden ze de volgorde van het DNA van deze bacteriën. Door de DNA-volgordes van de verschillende soorten te vergelijken, ontdekten de onderzoekers dat de bacteriën die structurele kleur vertoonden specifieke genen deelden die afwezig waren bij niet-iriserende bacteriën, ook al behoorden de iriserende bacteriën tot allerlei verschillende bacteriegroepen.

“Dit wijst erop dat genen die leiden tot structurele kleur mogelijk uitgewisseld worden tussen bacteriën die niet direct verwant zijn”, zegt Bas Dutilh, hoogleraar aan de universiteit van Jena en gasthoogleraar aan de Universiteit Utrecht. “Dat we de evolutie van dit voor ons zo opvallende koloniekenmerk kunnen volgen, kan ons helpen te begrijpen wat de functie ervan is bij bacteriën.” Opvallend genoeg bleken sommige van de genen die gelinkt waren aan structurele kleur bij bacteriën, ook bij te dragen aan het fenomeen in vlindervleugels.

Machine learning

Door de genetische inzichten te combineren met de gegevens van de 117 DNA-volgordes, trainden de onderzoekers een computermodel dat, puur op basis van hun DNA-volgordes, kon voorspellen of bepaalde bacteriën iriserend zijn. Ze gebruikten een techniek die machine learning wordt genoemd, een vorm van kunstmatige intelligentie die wiskundige modellen gebruikt om computers te laten leren zonder ze directe instructies te geven. “Het machine-learning model voorspelde ook structurele kleur in nieuwe groepen bacteriën waarvan we het niet verwacht hadden. In het lab hebben we bevestigd dat deze bacteriën inderdaad iriserend zijn. Dit toont echt de kracht van machine learning, waarmee het mogelijks is om biologische functies te voorspellen uit zeer complexe genetische gegevens", aldus UU-onderzoeker Aldert Zomer.

Bastiaan van Meijenfeldt, indertijd promovendus in Utrecht maar inmiddels verbonden aan het NIOZ, liet het machine-learning model vervolgens los op het DNA van allerlei andere bacteriën. In totaal analyseerde hij 250.000 bacteriële DNA-volgordes en 14.000 metagenomen, dat zijn complete sets DNA-volgordes afkomstig uit omgevings- of klinische monsters. Zo bracht Von Meijenfeldt in kaart waar structurele kleur te vinden is in de stamboom van het bacteriële leven en in allerlei leefomgevingen.

De onderzoeker ontdekte dat bacteriën die in of op gastheren leven, zoals onze darmbacteriën, bijna nooit structurele kleur vertonen. Structurele kleur werd daarentegen veel voorspeld bij bacteriën die leven in zeewater en meren, en in overgangsgebieden tussen oppervlaktes en lucht, zoals op gletsjers en in intergetijdengebieden. Dit laatste zou erop kunnen wijzen dat deze bacteriekolonies gestructureerd zijn zodat ze licht kunnen weerkaatsen. Maar dit lijkt niet in alle gevallen zo te zijn.

Von Meijenfeldt: “We waren erg verrast om te zien dat het aandeel genen dat een rol speelt in structurele kleur toenam in bacteriën die leven in diepere wateren, waar licht niet doordringt. Dit is niet wat je zou verwachten als het weerkaatsen van licht een rol speelt. We vonden wel steun voor een hypothese dat structurele kleur bij bacteriën vaak voorkomt bij drijvende deeltjes in deze donkere diepte, wat mogelijk zou kunnen betekenen dat de structurering hier andere voordelen heeft en structurele kleur in dit geval een bijproduct is.”

Interdisciplinair onderzoek

Het onderzoek is het resultaat van een grootschalige, interdisciplinaire samenwerking tussen verschillende instituten. De samenwerking was opgezet door NIOZ-onderzoeker Henk Bolhuis, die hier eerder een ZonMW-subsidie voor ontving. “We raakten geïntrigeerd door de opvallend gekleurde, reflectieve bacterie kolonies en vroegen ons af hoe wijdverspreid dit bijzondere fenomeen is”. Bolhuis’ kennis over mariene micro-organismen werd gecombineerd met de expertise van de Utrechtse onderzoekers op het gebied van machine learning  en genomics: het vakgebied dat zich richt op bestuderen van de complete set DNA van organismen.  Richard Hahnke (Leibniz Instituut DSMZ) leverde zeldzame bacteriële isolaten aan en Silvia Vignolini (University of Cambridge and Max Planck Institute of Colloids and Interfaces) voerde experimenten uit die de structurering van de kolonies aantoonden.