Wie zijn wij? Het microbioom opnieuw bekeken

In de column ‘Het individu bestaat niet’ hebben we getipt aan de invloed van de micro-organismen in ons lichaam op onze ontwikkeling. De biologen zijn al een stuk verder. Het aantal levende gasten in ons lichaam (ons microbioom) loopt in de miljoenen; variërend van bacteriën, schimmels en fagen (hoewel fagen niet zelfstandig kunnen leven) tot nematoden en virussen. Het gaat hoofdzakelijk om eencelligen en het zijn er daarmee wel heel erg veel. De teller loopt op tot 100 biljoen (10¹⁴ ) celletjes. Vergelijk daarmee het totale aantal cellen in ons eigen lichaam: 100.000 miljard ofwel ook zo’n 10¹⁴. Eén op één dus. Wie maakt dan wat we zijn?

Het wordt nog veel erger. De mens heeft ca. 21.000 genen die ons bestaan van voor de wieg tot na het graf bepalen. Het genoom van onze gasten is vele malen groter en bestrijkt volgens de laatste berekeningen meer dan 9,9 miljoen genen. Daar steken onze 21.000 magertjes tegen af. De genetische diversiteit van de met ons meelevende micro-organismen is dus vele male groter. We tellen bijvoorbeeld al 40.000 bacteriestammen in en op ons lichaam. De meeste bevinden zich in ons maag-darm kanaal, maar in feite bevat elk orgaan micro-organismen. Al onze lichaamsopeningen en de huid zijn voorzien van talloze eencelligen om ons tegen die grote boze buitenwereld te beschermen. Allemaal opgeteld is het microbioom (de verzamelnaam voor alle micro-organismen) ruim 1 kilogram, net iets minder dan de anderhalve kilo van de hersenen van een volwassene.

Onderdeel van de evolutie

Volgens sommige deskundigen heeft dat met elkaar te maken. In de millennia van de evolutie zijn de hersenen steeds zwaarder geworden en het gewicht van het microbioom in ons maagdarmkanaal nam navenant af. De hersenen ontwikkelden zich daarbij tot de grootste energieverbruiker van ons lichaam. Modern onderzoek vermoedt relaties tussen de samenstelling van ons microbioom, de ontwikkeling van het pasgeboren kind en de afstemming van ons immuunsysteem. Maar ook op latere leeftijd worden effecten vermoed in neurologische ontwikkeling, gedrag en cognitie. Het sprookje dat de baby bij de geboorte voor het eerst met bacteriën in aanraking komt, kunnen we inderdaad als een sprookje wegzetten. De baarmoeder is geenszins steriel. Het microbioom van de moeder is alom aanwezig. Wel verandert het microbioom van de baby aanzienlijk na de geboorte. Vooral de darmflora verandert onder invloed van voeding  en leefomstandigheden. Dit is voor de meesten van ons weer bekend terrein. Maar de invloed op onze latere ontwikkeling blijft vaak onbesproken.

Microbioom, invloed op ons gedrag

Wie heeft de leiding in deze symbiose kun je je afvragen. Zijn de micro-organismen de baas? Ze zijn met zoveel. Recent onderzoek laat zien dat zoogdieren zelf onderscheid kunnen maken. Terwijl we  dieren (muizen bij voorbeeld) onder nagenoeg identieke omstandigheden kunnen laten leven, zien onderzoekers toch verschillen in hun darmflora. Liever zien de onderzoekers het dan ook als één geheel: de genetische samenstelling van de gastheer (zeg de mens) en het genetische totaal van het microbioom dat op en in ons actief is. Hoe dat met elkaar communiceert is een populair onderwerp voor onderzoek en hypothese. Duidelijk lijkt al wel dat veel interacties met onze leefomgeving via het microbioom lopen. Dat maakt de aloude formule fenotype = genotype + milieu weer een stuk ingewikkelder. Micro-organismen kunnen hun genetische eigenschappen snel aanpassen aan hun omgeving (denk aan de snelle mutaties van een virus) en als we het genoom van ons zelf en dat van ons microbioom als één geheel zien, worden de genen ineens weer overheersend.

Punt van onderzoek is bijvoorbeeld de invloed van het microbioom op ons groepsgedrag. Zo is het al lang bekend dat de samenstelling van onze darmflora behoorlijk verandert wanneer we sociaal geïsoleerd raken of wanneer de groep ons niet echt accepteert. Maar geldt het omgekeerde ook? Waarschijnlijk wel. Zoals we elkaar kunnen besmetten met virussen en gevaarlijke bacteriën, kunnen we elkaar ook voorzien van gunstige micro-organismen voor betere groepsvorming of betere relaties – door te kussen, strelen of andere vormen van lichamelijk contact. De overdracht van micro-organismen, ongeacht hun aard, zal van invloed zijn op het immuunsysteem van de ontvanger. In een volgende generatie kan zo’n verbeterd immuunsysteem doorgegeven worden. Maar de onderzoekers veronderstellen heel wat meer. De uitwisseling van onderdelen van het microbioom beïnvloedt ook de samenstelling van onze genetische codes, zoals het RNA. Of nog wat nauwkeuriger gezegd: het beïnvloedt de onderdelen van onze genetische machinerie die een grote rol spelen in de ontwikkeling van onze hersenen; vooral in die delen die een grote rol spelen bij groepsvorming en sociaal gedrag. Zo lijkt het er ook op dat mensen met autisme en daaraan gerelateerde aandoeningen tevens een afwijkende samenstelling in hun darmflora hebben. Onduidelijk is nog wat hier oorzaak en gevolg is. Wel laten proeven met ‘steriele’ muizen (germ-free mice) zien dat ze aanzienlijk minder sociaal gedrag ontwikkelen dan hun niet-steriele soortgenoten. Behandeling van de steriele muizen met het microbioom van soortgenoten herstelt het gedrag maar zeer ten dele.

Gevolgen voor het nageslacht

Een volgende vraag in het onderzoek is in hoeverre heftige gebeurtenissen bij de (voor)ouders van invloed zijn op de ontwikkeling van het nageslacht, en of dit genetisch wordt vastgelegd. Dit zou een voorbeeld zijn van ‘versnelde’ evolutie. De bekende Darwinistische vorm laat meestal geleidelijke veranderingen over een groot aantal generaties zien. De onderzoekers denken in ieder geval te hebben aangetoond dat heftige gebeurtenissen als trauma’s bij de (voor)ouders, van blijvende invloed zijn op gedrag en hersenwerking van het nageslacht. De relatie met de darmflora zou dan gelegen zijn in de productie van een aantal overbekende neurotransmitters (producten die de signaaloverdracht in zenuwen beïnvloeden), zoals GABA, tryptofaan, serotonine, histamine en dopamine; en in hun invloed op de vorming en werking van de hersenen en de vastlegging ervan in onze genetische codes.

Zo zijn er steeds meer moleculen die afkomstig zijn van onze darmflora en vervolgens een cruciale rol spelen in hersen- en levensfuncties. Sommige moleculen zijn zelfs verrassend eenvoudig zoals de zogeheten kleine vetzuren met azijnzuur, propionzuur en boterzuur als bekende voorbeelden. Ze worden in heel kleine hoeveelheden aangemaakt, kunnen goed de bloed-hersen barrière kruisen en door hun chronische aanwezigheid de hersenontwikkeling en -functie beïnvloeden, ook in nakomende generaties.

Alleen maar meer vragen

Hoe dan ook, we vinden steeds meer mechanismen waarbij micro-organismen een rol spelen in het genoom (het geheel van de erfelijke eigenschappen) van de gastheer. Eigenlijk ook wel logisch. Akelige virussen zoals corona hebben onze lichaamscellen nodig om zich voort te planten en te evolueren. De interacties van hun bestanddelen met onze cellen leren we steeds meer op moleculair niveau kennen en begrijpen. Zoals ook de soms heftige reactie van ons lichaam op deze ongenode gasten, tot en met wijzigingen in ons immuunsysteem en dat van ons nageslacht.

Allerlei begrippen in de biologie roepen om een nieuwe invulling. Met alle inzichten uit de moleculaire biologie blijkt de traditionele benadering (vooral goed kijken, fenomenologisch) achterhaald; het wordt tijd voor een nieuw begin. Zeker waar het micro-organismen, evolutie en ontstaan van het leven betreft. Oude begrippen als parasitisme, symbiose, competitie en predatie (roofdiergedrag) kunnen allemaal op de helling. De definities hebben allemaal te lijden van een gebrek aan kennis; en ze zijn soms afgeleid van de projectie van menselijke gevoelens op het onderwerp van onderzoek. Aan de andere kant is neutraal taalgebruik hier bijzonder lastig; het maakt de literatuur soms moeilijk leesbaar. De wereld van micro-organismen respecteert niet onze taboes. Overschrijding van soortgrenzen en uitwisseling van genetische eigenschappen zijn daar de gewoonste zaak. De nieuwste inzichten tonen ons ook vele interacties tussen het microbioom en de genen van de gastheren (ook een mooi woord vol vooroordeel). Daarmee lijken taboes ook op hoger levensniveau te worden doorbroken. Evolutie is heel wat meer dan ‘survival of the fittest’. Er zijn steeds meer voorbeelden van samenwerking – stof tot nadenken.

Nieuwe gedachten

Zo komt er ruimte voor meer nieuwe gedachten. Over het ontstaan van leven bijvoorbeeld. Zeker in de micro-wereld lijkt het er steeds meer op dat er een continu proces gaande is van scheppen en uitsterven (naast alle intrigerende mechanismen van voortplanting). We kunnen onmogelijk vaststellen hoe en wanneer een micro-organisme op aarde is verschenen. Dat er al heel veel soortgenoten waren zegt niet alles. De vraag blijft overeind of het eerste leven hier op aarde is verschenen, of dat het van buiten is aangereikt. Dezelfde vraag kunnen we stellen over het ontstaan van de mens. Met al het komen en gaan van levensvormen in de micro-wereld is het ook heel goed mogelijk dat een organisme af en toe (op een tijdschaal van een paar miljard jaar) de kans krijgt zich door te ontwikkelen tot een vorm van leven op een veel hoger niveau. Bijvoorbeeld tot een dinosaurus, een vis, een olifant, een muis of zelfs een mens. Er moeten dan wel heel veel parameters in de goede stand staan, maar onmogelijk lijkt dat niet. En met al die parameters die het spel bepalen, kunnen we die gebeurtenis op allerlei manieren beschrijven: als een boeiend scheppingsverhaal, als geniaal voorbeeld van intelligent ontwerp of als het resultaat van een strijd die millennia heeft geduurd.

Eén fenomeen blijft vooralsnog onbeantwoord. In de loop van de evolutie over duizenden jaren is het gewicht en volume van onze hersenen ongeveer evenveel toegenomen als het microbioom in onze darmen is afgenomen. Maar ten opzichte van de enorme moleculaire complexiteit is dit macroscopische fenomeen wellicht van nul en generlei waarde.

Bronnen:
Veel materiaal is in de biologische literatuur te vinden onder de trefwoorden evolutie en symbiose. Het artikel ‘Friends with social benefits: host-microbe interactions as a driver of brain evolution and development?’ van Roman M. Stilling, Seth R. Bordenstein, Timothy G. Dinan en John F. Cryan  in Frontiers in Cellular and Infection Microbiology van 29 oktober 2014 is een goed voorbeeld.

Interessant? Lees dan ook:
Het individu bestaat niet
Wij zullen de natuur nooit helemaal naar onze hand kunnen zetten
Holisme heeft de toekomst