Nieuw AI-model voorspelt uit DNA of bacteriën bij een gastheer leven

Genomen zonder kweekschaaltje

De meeste bacteriën en archaea op aarde laten zich niet kweken in een laboratorium. Wetenschappers weten daardoor vaak niet hoe deze micro-organismen leven: zelfstandig, of juist in nauwe verbondenheid met een gastheer, zoals een plant, dier of andere microbe. Dankzij bio-informatica kunnen onderzoekers tegenwoordig toch het DNA van zulke onbekende microben in kaart brengen, via metagenomica: het rechtstreeks sequencen van al het genetisch materiaal in een watermonster, bodemstaal of darminhoud, zonder dat de organismen eerst gekweekt hoeven te worden. Dat levert enorme hoeveelheden genoomdata op, maar zegt op zichzelf nog niets over de levensstijl van de microbe.

Een AI-classificator genaamd symclatron

Onderzoekers presenteren in Nature Biotechnology nu symclatron, een genoommodel dat op basis van kenmerken in een DNA-sequentie voorspelt of een bacterie of archaeon vrijlevend is of in nauwe associatie met een gastheer leeft. Het model let onder meer op signalen van genoomreductie: symbiotische microben verliezen in de loop van de evolutie vaak genen die ze niet meer nodig hebben omdat de gastheer bepaalde functies overneemt, zoals het aanleveren van voedingsstoffen. Zulke afgeslankte genomen zijn kenmerkend voor bekende gastheerafhankelijke bacteriën, en symclatron leert die patronen te herkennen zonder dat iemand het organisme ooit onder de microscoop heeft gezien.

Symbiose blijkt overal voor te komen

De onderzoekers pasten hun model toe op een wereldwijde catalogus van microbiële genomen, verzameld uit tientallen ecosystemen: van oceanen en bodems tot de darmen van dieren, oftewel complete microbiomen. De uitkomst: gastheerafhankelijke microben komen wijdverspreid voor, in vrijwel elk onderzocht biotoop en in microbiële fyla waarvan niemand eerder vermoedde dat ze zo vaak symbiotisch leven. Dat sluit aan bij eerder werk dat laat zien dat host-associatie niet één keer in de evolutie is ontstaan, maar herhaaldelijk en onafhankelijk van elkaar, bijvoorbeeld binnen de bacteriegroep Rickettsiales.

Belangrijk is dat symbiose volgens de onderzoekers geen vast hokje is, maar een continuüm tussen parasiet en mutualist: dezelfde microbe kan in de ene situatie schade toebrengen aan zijn gastheer en in een andere juist voordeel opleveren. Symclatron plaatst organismen dus niet in een strikte tweedeling, maar schat in hoe waarschijnlijk het is dat een microbe een gastheerrelatie heeft.

Waarom dit ertoe doet

Het overgrote deel van microbieel leven op aarde blijft voor mensen onzichtbaar omdat het zich niet laat kweken. Een model dat puur op DNA kan voorspellen of een microbe bij een gastheer hoort, geeft wetenschappers een eerste houvast om gerichter te zoeken naar nieuwe symbionten, pathogenen en mutualisten. Dat is relevant voor landbouw en gezondheid, waar gastheerspecifieke bacteriën en archaea een rol kunnen spelen bij ziekte, immuunreacties of juist bescherming. Ook voor de zoektocht naar onbekende ziekteverwekkers, of juist bacteriën die planten en dieren helpen, biedt zo'n voorspellend model een sneller startpunt dan het traditionele, tijdrovende kweken en testen in het lab.