De auteurs hebben niets te melden.

het onderzoeken van de microbiële gemeenschap in de termite einddarm - interview

Investigating the Microbial Community in the Termite Hindgut - Interview

Jared Leadbetter verklaart waarom de termiet-darm microbiële gemeenschap is een uitstekend systeem voor het bestuderen van de complexe interacties tussen microben. De symbiotische relatie bestaat tussen de host insecten en lignocellulose-afbrekende darm microben wordt uitgelegd, evenals het industrieel gebruik van deze micro-organismen voor de afbraak van plantaardige biomassa en het genereren van biobrandstoffen.

Het onderzoeken van de microbiële gemeenschap in de Termite einddarm - Interview

Jared Leadbetter legt uit waarom de microbiële gemeenschap in het darmkanaal van termieten een uitstekend systeem is voor het bestuderen van de complexe interacties tussen microben. De ...

Termieten en de microben in hun darmstelsel vormen een voorbeeld van een zeer fascinerende en complexe mutualistische symbiose. Ik ben geïnteresseerd in het bestuderen van termieten en deze microben om beter te begrijpen welke verschillende rollen de diverse componenten spelen bij de afbraak van lignocellulose, een zeer complexe voedselbron, tot producten die zowel door het insect als door de microben kunnen worden gebruikt. Ik ben Jared Ledbetter.Ik ben universitair hoofddocent omgevingsmicrobiologie aan het California Institute of Technology en ik neem deel aan ons programma voor milieukunde en engineering. Ik ben inmiddels zes en een half jaar verbonden aan Caltech, maar mijn belangrijkste onderzoeksinteresses gaan al 17 jaar over de studie van microbiële gemeenschappen die voorkomen in de achterdarmen van diverse termieten. Sinds ik voor het eerst in aanraking kwam met de microbiologie van de termitendarm als student tijdens de zomercursus microbiële diversiteit in Woods Hole, Massachusetts, ben ik zeer geïnteresseerd in de identiteit en functie van de verschillende microbiële soorten die leven in de achterdarmen van termieten.De gemeenschappen in de achterdarm van termieten bestaan uit ongeveer 250 unieke microbiële soorten, die alle drie de domeinen van het leven vertegenwoordigen. Men kan metagenische Archaea identificeren, anaerobe cellulose-afbrekende protozoën (eencellige eukaryoten) en een grote diversiteit aan bacteriën, waaronder zeer veel nieuwe soorten van een groep bacteriën die spirocheten worden genoemd. Hoewel er ongeveer 250 verschillende soorten zijn die in termieten leven en nergens anders in de natuur voorkomen, hebben we, zelfs na ongeveer honderd jaar onderzoek, nog maar een zeer beperkt inzicht in de functie van al deze verschillende microben binnen wat in totaal een zeer fascinerende mutualistische symbiose is tussen het gastheerinsect en de microbiële gemeenschap, die samen cellulose afbreken tot producten die in essentie het metabolisme van zowel het gastheerinsect als deze diverse microben voeden.In de afgelopen 16, 17 jaar ben ik zeer geïnteresseerd geweest in het identificeren van wie deze soorten zijn en wat ze doen. Hoe interageren deze soorten met elkaar in de achterdarm en wat is hun voordeel voor de gastheer? Termieten en hun darmmicroben zijn een voorbeeld van een zeer fascinerende en complexe mutualistische symbiose.Ik ben geïnteresseerd in het bestuderen van termieten en hun microben om beter te begrijpen welke verschillende rollen de diverse componenten spelen bij het afbreken van lignocellulose, een zeer complexe voedingsbron, tot producten die zowel door het insect als door de microben kunnen worden gebruikt. Een andere reden om termieten en hun darmmicroben te bestuderen, is dat termieten wereldwijd een zeer belangrijke groep dieren vormen die een cruciale rol spelen in de mondiale koolstof- en stikstofcycli; in de tropen en subtropen zijn termieten extreem divers. Dat wil zeggen dat er zeer veel verschillende termietensoorten zijn en dat ze zeer overvloedig voorkomen.En als voorbeeld van hoe succesvol deze insecten zijn, vormen zij kleine maar significante bronnen van mondiale CO2 en mondiaal methaan. Vanwege de hoeveelheid hout die zij in deze producten hebben omgezet, dragen termieten voor ongeveer 2% bij aan de mondiale CO2 en voor ongeveer 4% aan het mondiale methaan, wat eigenlijk zeer aanzienlijk is voor één enkele groep dieren. Door de microben en hun activiteiten in deze insecten te bestuderen, begrijpen we deze insecten en de basis voor hun wereldwijde succes beter.Het bestuderen van termieten en hun darmmicroben is ook interessant vanuit het oogpunt van schaal en reproduceerbaarheid. Op bepaalde niveaus bestudeer ik termieten en hun darmmicroben omdat dit een zeer boeiende en complexe omgeving is. De omgeving van de achterdarm, dit ecosysteem van de achterdarm, is echter zeer verschillend van veel andere omgevingen.De achterdarm van de termiet is zeer klein, met een volume van ongeveer één microliter, en is zeer duidelijk begrensd aangezien deze bekleed is door het darmepitheel of door het insect zelf. We kunnen dus zeer concreet definiëren wat de grenzen van die omgeving zijn. Omdat de omgeving zo klein is, kunnen we een bak termieten verzamelen van bijvoorbeeld 200 termieten, waardoor we gemiddeld dezelfde omgeving herhaaldelijk gerepliceerd hebben.Als u de omgeving van het termite-darmkanaal vergelijkt met bijvoorbeeld de Sargassozee, dan is de Sargassozee gigantisch en enorm. Deze is duizend mijl breed. De grenzen ervan zijn gedefinieerd, maar wellicht alleen operationeel.Er is geen scherp afgebakende grens van de Sargassozee en er is er maar één van. We kunnen dus veel leren over mariene wetenschappen door de studie van de Sargassozee, en het is zeer belangrijk om deze zee te bestuderen. Er zijn echter bepaalde complicaties; je moet in staat zijn om met een boot naar die locatie te reizen.Wanneer u een bevinding heeft over enkele van de microben daar, weet u mogelijk niet waar die microben zich op een specifiek moment bevinden; ze kunnen kilometers van elkaar verwijderd zijn en er is uiteraard slechts één exemplaar van. Het is daarom moeilijk om de Sargassozee te bestuderen, deze op een bepaalde manier te verstoren en een controle-Sargassozee te hebben om mee te vergelijken. Door de microben in hun darmkanaal te bestuderen, hebben we in feite een voorbeeld van een omgeving die zich leent voor laboratoriumtechnieken.We kunnen die omgeving reproduceren, we kunnen deze verstoren en vergelijken met controlegroepen. We weten altijd tot op ongeveer een millimeter nauwkeurig waar al deze verschillende microbiële groepen en microbiële soorten met elkaar interageren; ze interageren in deze ene microliter darmomgeving. In mijn laboratorium bestuderen we deze microbiële gemeenschap met elke beschikbare techniek die ons kan helpen de geheimen van deze gemeenschap te ontsluieren.Een aspect hiervan is zeker het proberen te kweken van soorten die deel uitmaken van die microbiële gemeenschap. In vitro in het laboratorium is 250 soorten zeer complex, en de interpretatie van onderzoek is ongeëvenaard helder als men een zuivere cultuur van een bacterie kan bestuderen. Een deel van onze inspanningen heeft zich gericht op het onderzoeken van deze darmgemeenschap om te proberen individuele soorten uit die gemeenschap te cultiveren en te kweken, om vervolgens de fysiologie, genetica en genomica van die soorten in detail te bestuderen en te proberen af te leiden wat dit betekent voor de functie van die soort binnen die gemeenschap.Een voorbeeld hiervan is onze studie naar de darm van termieten. Spirocheten zijn spiraalvormige organismen die in overvloed voorkomen bij bijna alle termieten. In termieten vindt men spirocheten, die eigenlijk vrij nauw verwant zijn aan het veroorzakende agens van syfilis, maar bij alle gezonde termieten ziet men deze spirocheten.En zo wisten we gedurende vele jaren dat deze spirocheten waarschijnlijk symbiotisch waren en iets positiefs deden voor de gastheer, maar we wisten niet wat ze precies deden. Ongeveer 10 jaar geleden slaagde ik erin om enkele van deze spirocheten in vitro te kweken, waardoor we deze spirocheten nu kunnen bestuderen. We hebben veel geleerd over hun fysiologie en wat deze spirocheten waarschijnlijk doen in de omgeving. Vóór die periode hadden we geen idee van wat deze spirocheten in hun omgeving deden.Zo hebben we door het bestuderen van deze zuivere culturen veel ontdekkingen gedaan die mogelijk werden gemaakt door zuivere culturen. We gebruiken daarnaast gengebaseerde methoden om deze microbiële gemeenschap te bestuderen. Er kan een specifiek gentype zijn dat een bepaalde fysiologie vertegenwoordigt, waarna we deze gemeenschap kunnen analyseren om vast te stellen hoeveel variaties van dit gen aanwezig zijn en welke organismen deze sleutelgenen coderen.Zo kunnen we functioneel beginnen te ontleden wat er in deze achterdarm gebeurt door de diversiteit aan genen te bestuderen die betrokken zijn bij het stikstofmetabolisme en cruciale aspecten van het koolstofmetabolisme. We kunnen daarnaast gengebaseerde mechanismen of gengebaseerde benaderingen gebruiken om de diversiteit van organismen in de termiet te beoordelen. We kunnen ribosomaal RNA-genen gebruiken als markergenen of als barcodes om echt vast te stellen hoeveel soorten er in deze gemeenschap aanwezig zijn, mogelijk in welke abundantie, en in hoeverre onze zuivere culturen die diversiteit feitelijk reflecteren. In mijn laboratorium maken we daarom gebruik van een aantal gengebaseerde technieken.We hielden ons ook bezig met metagenomics, waarbij we geïnteresseerd waren in het bestuderen van de volledige genoominhoud van dit microbiële ecosysteem om een idee te krijgen van alle verschillende metabolismen die in deze gemeenschap plaatsvinden. In mijn laboratorium bestuderen we zuivere culturen. We maken gebruik van op PCR gebaseerde gen-technieken, we gebruiken metagenomics en we kijken naar enzymatische activiteiten die aanwezig zijn in deze darm van de hin.We maken ook gebruik van microscopie om te proberen te achterhalen waar organismen zich in de darm bevinden en met welke andere cellen ze interactie hebben. In totaal willen we begrijpen hoeveel soorten er in de achterdarm aanwezig zijn, wat ze allemaal doen en hoe ze met elkaar omgaan. Er zijn een aantal uitdagingen bij het bestuderen van microbiële gemeenschappen die verschillen van andere gemeenschappen in de natuur.Het is relatief eenvoudig om een wandeling te maken in het bos of in de savanne en de verschillende plant- en diersoorten waar u tijdens uw wandeling tegenkomt te observeren. Zeker in de gemeenschapsecologie zijn er de afgelopen honderd jaar veel methoden ontwikkeld en benaderingen gehanteerd om vragen te gaan stellen over hoeveel plant- en diersoorten er in een bepaalde gemeenschap aanwezig zijn en met welke frequentie u deze in die gemeenschap tegenkomt. Daarnaast is er de observatie van enkele van deze organismen in hun gemeenschap over een bepaalde periode, om te zien welke aanpassingen zij hebben aan de omgevingsdynamiek en de omgevingsfactoren waarmee zij worden geconfronteerd.U kunt een olifant of een leeuw op de savanne observeren en een deel van hun gedrag bestuderen, hun aanpassingen, hoe zij hun energie en voedsel verkrijgen en hoe zij met elkaar omgaan. Dit is allemaal vrij eenvoudig waar te nemen wanneer u microben bestudeert, organismen die u met het blote oog kunt zien. Het is ook vrij eenvoudig om te differentiëren of u te maken heeft met een plant of een dier.Ik bedoel niet in termen van soorten, maar in termen van wat ze doen. Je kunt naar een organisme kijken en met bijna volledige zekerheid zeggen: dit is een fototroof, dit is een organisme dat zonnestraling absorbeert en die energie omzet in iets nuttigs. Of ik kijk naar een heterotroof dier en dat dit dier primair eiwit gebruikt als energiebron.Er zijn een aantal waarnemingen die u kunt doen terwijl u door een gemeenschap in Havana of door een bosgemeenschap loopt. Het is veel moeilijker om dergelijke waarnemingen te doen en conclusies te trekken wanneer u microbiële gemeenschappen bestudeert. De organismen zijn klein en het is niet altijd duidelijk, zelfs niet met een zeer goede microscoop, hoe verschillende organismen van elkaar verschillen.Dat wil zeggen dat wanneer u naar een microbiële gemeenschap op zich kijkt, het zeer moeilijk kan zijn om vast te stellen hoeveel soorten er zijn en wat hun relatieve verdelingen zijn. Het kan bovendien zeer moeilijk zijn om met behulp van een microscoop naar die microbiële gemeenschap te kijken en de vraag te beantwoorden: wat doen deze organismen? Een grote uitdaging bij microbiële gemeenschappen is dus het vaststellen wie er aanwezig zijn en wat zij doen.Daarom moeten we in het onderzoek naar microbiële gemeenschappen verschillende technieken gebruiken om informatie uit die gemeenschap te extraheren over wie er aanwezig is, wie actief is, wat deze organismen doen, hoe ze reageren en wat hun aanpassingen zijn aan veranderingen in hun omgeving. Sinds ik 17 jaar geleden, rond 1990, voor het eerst geïnteresseerd raakte in het onderzoek naar microbiële gemeenschappen in de darmen van termieten, hebben er in mijn vakgebied in het algemeen een aantal technologische vorderingen plaatsgevonden, waardoor ik en anderen veel meer hebben kunnen leren over microbiële gemeenschappen, en specifiek voor mij over gemeenschappen in de darmen van termieten. Dit zijn voor een groot deel gengebaseerde technieken.Toen ik voor het eerst met termieten begon te werken, kon men microscopie gebruiken om naar een microbiële gemeenschap, zoals die van de termiet, te kijken en de verschillende aanwezige vormen in die gemeenschap te beoordelen om zo een benadering te krijgen van hoeveel verschillende soorten er wellicht in die gemeenschap aanwezig waren. Maar in de afgelopen 15 tot 17 jaar zijn er zoveel gen-gebaseerde technieken en genomische technieken beschikbaar gekomen, dat ons vermogen om informatie te extraheren uit microbiële gemeenschappen, zoals de achterdarm van de termiet, zeer snel is veranderd. Nu kunnen we genen gebruiken als een soort barcode-markers om verschillende organismen en omgevingen te identificeren.We kunnen een microbiële gemeenschap, zoals de achterdarm van een termiet, analyseren en vaststellen hoeveel verschillende soorten er aanwezig zijn door bepaalde genen als proxies voor die diversiteit te gebruiken. We kunnen dat gen gebruiken als een barcode om te volgen of we die organismen in cultuur hebben, of om die barcode te gebruiken om schommelingen in de abundantie van verschillende soorten in die gemeenschap te volgen. Met behulp van andere gen-gebaseerde technieken kunnen we onderzoeken of de genen die coderen voor enzymen voor dit specifieke proces aanwezig zijn in deze gemeenschap.En hoeveel variaties, dus hoeveel soorten organismen zijn er die dat katalyseren en beschikken we over die organismen in kweek? Er zijn een aantal door genen en PCR (polymerasekettingreactie) mogelijk gemaakte benaderingen geweest om microbiële gemeenschappen te bestuderen, die ons begrip van microbiële gemeenschappen radicaal hebben veranderd. Deze veranderingen hebben zich allemaal gemanifesteerd gedurende de afgelopen 20 jaar.De studie naar termieten en hun darmmicroben is interessant, zowel op het niveau van fundamenteel of academisch onderzoek als op het niveau van biotechnologisch en toegepast onderzoek. Termieten eten en afbreken hout. Voor mij is het daarom zeer belangrijk om te proberen te begrijpen via welke mechanismen termieten en hun darmmicroben hout daadwerkelijk aanvallen, wat in feite het eerste composietmateriaal van de natuur is.Het is een tri-laminaat composiet en het is zeer stevig materiaal. Om echt te begrijpen hoe dit insect en de microben in zijn darmstelsel dit composiet deamineren en vervolgens alle componenten afbreken tot producten die zowel door het insect als door deze microben als brandstof kunnen worden gebruikt, is voor mij zeer fascinerend; bovendien heeft dit een fundamentele relevantie voor de biotechnologie en de industrie.Als samenleving begrijpen we dit nog niet volledig. We begrijpen eigenlijk nog maar heel weinig van hoe hout wordt afgebroken tot andere stoffen. Er is tegenwoordig aanzienlijke belangstelling voor het verkrijgen van een beter inzicht in hoe lignocellulose van planten wordt afgebroken, zoals rijstpellets, maïskolven en de resten van suikerriet nadat de suiker eruit is geperst.Er is veel belangstelling voor het begrijpen van hoe we laagwaardige lignocellulose-grondstoffen kunnen nemen en deze kunnen omzetten in iets van hogere waarde, zoals ethanol, waterstof, methaan of een ander product. Het is essentieel om te beseffen dat termieten voortdurend lignocellulose-hout afbreken en dit omzetten in hun eigen biobrandstof. Op industriële schaal is er veel interesse in het begrijpen van welke enzymen betrokken zijn bij deze initiële aanval op het hout.En wellicht zou men dan deze enzymen kunnen nemen en koppelen aan andere stroomafwaartse processen om tot een nieuw proces te komen dat verschilt van wat nu in de industrie gebeurt en dat verschilt van wat nu in de natuur voorkomt, maar dat echt het beste uit het beste haalt om iets nieuws te creëren voor de omzetting van hout in een product van belang. Ethanol, waterstof, methaan of eigenlijk alles wat maar relevant is. In mijn laboratorium zijn we primair geïnteresseerd in het verkrijgen van een fundamenteel begrip van deze microbiële gemeenschap, de interactie met de gastheer en de rol die de gastheer in de microbiële gemeenschap speelt bij de degradatie van lignocellulose.Er is echter aanzienlijke belangstelling voor het proberen te benutten van een deel van die informatie bij de ontwikkeling van nieuwe industriële processen. Ik denk dat er de afgelopen twee jaar veel discussie is geweest over biobrandstoffen, wat de aandacht heeft gevestigd op de behoefte en zelfs de belofte van onderzoek naar biobrandstoffen. Om eerlijk te zijn, denk ik echter niet dat het niveau van de financieringsinitiatieven in verhouding staat tot de belangstelling die dit heeft ontvangen.Er is geen Manhattanproject voor biobrandstoffen. Er is geen sprake geweest van dramatische grootschalige investeringen in fundamenteel onderzoek dat betrekking heeft op onderzoek naar biobrandstoffen. En omdat ons fundamentele begrip van de afbraak van lignocellulose op dit moment zo gering is, denk ik dat een initiatief voor biobrandstoffen gericht moet zijn op investeringen op alle niveaus, van fundamenteel academisch onderzoek tot aan de industrie, om dit mogelijk te maken.En als mensen willen dat dit over twee, vijf of 10 jaar gebeurt, zullen we ook fondsen moeten investeren, zodat er mensen zijn die hun tijd en inspanningen investeren om dat te realiseren. In de afgelopen 20 jaar is ons vermogen om gengebaseerde technieken te gebruiken voor het bestuderen van microbiële gemeenschappen zeer snel vooruitgegaan. Ik denk dat we allemaal een beetje kunnen dromen over wat er de komende vijf tot 10 jaar kan gebeuren, en ik denk dat er een zeer goede kans is dat we over 10 jaar de capaciteit zullen hebben om het volledige genoom van elke individuele soort te kennen, te sequensen en te analyseren.In de achterdarm van termieten zijn er er minstens 250, en ik denk dat er een kans zal zijn om een soort archiefkast met informatie te hebben, waarin we de genoominhoud van elk van die soorten kennen. Dat zal een zeer spectaculaire ontdekking zijn, want slechts 10 jaar geleden sequenceerden we voor het allereerste maal de genomen van zeer goed begrepen micro-organismen. Over nog eens 10 jaar denk ik dat we complexe microbiële gemeenschappen kunnen induiken en toegang zullen hebben tot genoomgegevens van organismen die we nog nooit in detail hebben bestudeerd, om die vervolgens voor het eerst te kunnen gebruiken om studies naar deze organismen te stimuleren.

investigating-the-microbial-community-in-the-termite-hindgut-interview

Research

JoVE Journal

Biology

Biologie

California Institute of Technology - Caltech.  Jared Leadbetter verklaart waarom de termiet-darm microbiële gemeenschap is een uitstekend systeem voor het bestuderen van de complexe interacties tussen microben. De symbiotische relatie bestaat tussen de host insecten en lignocellulose-afbrekende darm microben wordt uitgelegd, evenals het industrieel gebruik van deze micro-organismen voor de afbraak van plantaardige biomassa en het genereren van biobrandstoffen.

Het onderzoeken van de microbiële gemeenschap in de Termite einddarm - Interview

In dit artikel

Samenvatting

Samenvatting

Openbaarmakingen

Herprints en machtigingen

Trefwoorden