Microben communiceren via telefoonsysteem in de zeebodem

Twee jaar geleden werd een nieuw type van bacteriën ontdekt in de Noordzee die zelf elektriciteit produceren en geleiden. Een nieuwe wetenschappelijke studie toont nu aan dat deze bacteriën hun elektrische netwerk gebruiken om signalen door te sturen, net zoals een telefoon werkt. Deze ontdekking gebeurde recent door onderzoekers van het NIOZ Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee en de Vrije Universiteit Brussel (VUB). Het betreft een geheel nieuwe vorm van elektrische communicatie door micro-organismen, die mogelijk kan leiden tot geheel nieuwe bio-elektrische toepassingen.

Kabelbacteriën in de bodem van de Noordzee

Het is al langer bekend dat micro-organismen met elkaar communiceren door allerlei chemische signalen te detecteren afkomstig van hun buren. Dit mechanisme werkt echter alleen over korte afstand, omdat de chemische signalen worden doorgegeven door diffusie. De nieuwe studie door het NIOZ/VUB-team toont aan, dat bacteriën in staat zijn om over veel langere afstand te communiceren, door gebruik te maken van elektrische signalen met wisselende stroomsterkte. 'We wisten al langer dat er lange draadvormige "kabelbacteriën" in de bodem van de Noordzee leven die in staat zijn om een elektrische stroom te geleiden over centimeters,' legt teamleider Prof. dr. ir. Filip Meysman uit. 'Maar nu hebben we ook ontdekt dat deze bacteriën hun stroomopwekking snel en drastisch aanpassen en daardoor informatie doorgeven in de zeebodem. Zo weten andere organismen in het diepe sediment of het bovenaan licht of donker is, en of veel of weinig zuurstof voorhanden is. Met deze informatie kunnen ze dan hun gedrag aanpassen.'

Ondergrondse berichtgeving

Deze nieuwe vorm van biologische signaaloverdracht werd voor het eerst aangetoond in sediment van de Oosterschelde. 'We hebben natuurlijk sediment naar het lab gebracht, en dit sediment blootgesteld aan een dag/nacht cyclus, met 12 uur licht en 12 uur donker,' legt Dr. Sairah Malkin uit, de eerste auteur van deze studie. 'En wat we na een aantal dagen zagen, tartte alle verbeelding. Wanneer we de bodemchemie van het diepere sediment nauwkeurig onderzochten, zagen we een chemisch signaal op en neer dansen op het ritme van de dag en nacht cyclus. Dit was zeer verbazingwekkend, omdat licht uitdooft in de bovenste millimeter, terwijl we een respons zagen op wel 20 milllimeter diepte. Het is alsof je opgesloten bent in een diepe en donkere onderaardse grot en toch perfect weet wanneer het dag of nacht is.' Toen ze het sediment gedetailleerd onderzochten, ontdekten de onderzoekers een intrigerende interactie tussen verschillende micro-organismen. Bovenaan het sediment waren fotosynthetische micro-algen actief, die grote hoeveelheden zuurstof produceren in het licht, waardoor de zuurstofconcentratie bovenaan het sediment torenhoog is gedurende de dag en heel laag ’s nachts. Onder deze algen vonden we een hoge dichtheid aan lange draadvormige bacteriën, diep ingegraven in het sediment. Het waren deze kabelbacteriën die de elektriciteit opwekten en het signaal doorgaven. De kabelbacteriën zetten het fluctuerende zuurstofsignaal om in een elektrische stroom, die vervolgens werd doorgestuurd naar diepere sedimentlagen. Daar wordt het signaal opnieuw omgezet in fluctuerende zwavelconcentraties, een ander chemisch signaal. Zeebodem organismen zijn erg gevoelig voor zwavelverbindingen en zo weten ze of het bovenaan dag of nacht is en kunnen daaraan hun gedrag aanpassen. 'Daar waar het normaal dagen duurt voordat een chemisch signaal de bodem binnendringt, gebeurde de signaaltransmissie nu ongelofelijk snel,' vertelt Malkin. 'Toen ik de lichtknop omdraaide en de eerste keer zag dat het diep sediment reageerde binnen luttele minuten, was ik compleet verbaasd.'

Microscopiebeeld van een lange kabelbacterie, die de mogelijkheid heeft tot elektrische signaaltransmissie. Deze bacteriën zijn 100 keer dunner dan een menselijke haar en vormen lange spaghetti-achtige draden, die centimers lang zijn en uit duizenden cellen bestaan.

Microbiële telefonie en bio-elektrische toepassingen

In 1858 werden de eerste elektrische signalen door een telegraafkabel op de bodem van de Atlantische Oceaan gestuurd. Dit had als gevolg dat de nieuwste roddels uit Londen in minder dan tien minuten New York bereikten, waar voorheen nog tien dagen nodig waren om een bericht per schip over te brengen. Het nieuw ontdekte mechanisme werkt net als een telegraaf of een telefoon: de algen bovenin het sediment produceren het zuurstofsignaal (de Londenaren), de kabelbacteriën zetten het om en transporteren het over lange afstand (de telegraaf) en de biologie onderin de zeebodem weet onmiddellijk hoe alles bovenaan verandert (de New Yorkers). 'Dit mechanisme, waarbij bacteriën elektrische signalen versturen over grote afstanden, verandert compleet de manier hoe we naar microbiële gemeenschappen en hun interacties kijken,' vertelt Prof. Meysman verder. Maar ook in termen van toepassingen biedt deze ontdekking nieuwe mogelijkheden. 'We hebben nu een bacterie die de machinerie ontwikkeld heeft om volledig zelf elektrische signalen op te wekken en door te sturen. Als we weten hoe deze bacteriën dit voor elkaar krijgen, biedt dit mooie kansen voor vernieuwend onderzoek naar bio-elektrische materialen en toepassingen,' legt Meysman uit. 'Misschien werken zonnepanelen of smartphones in de toekomst wel op miniscule geleidende bacteriedraadjes als component.'

Het onderzoek werd uitgevoerd met steun van het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek - Vlaanderen (FWO), de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), en de European Research Council (ERC).

NIOZ

www.nioz.nl