Software die de analyse van bacterie-genomen veel eenvoudiger maakt
Of een bacterie nuttig of schadelijk is voor een plant is nu eenvoudig en goed te voorspellen met de nieuwe software bacLIFE. Door de intuïtieve interface maakt het de geheimen van bacterie-genen veel toegankelijker. Een groep Leidse biologen presenteerde dit staaltje bioinformatica in Nature Communications.
‘Biologen zijn vaak bang als ze in bio-informatica moeten duiken’, onthult Víctor Carríon over zijn vakgenoten. Toch is dat in de biologie van nu heel belangrijk. ‘Promovendi zijn soms het hele eerste jaar van hun traject bezig om hier voldoende in thuis te raken.’ Ze moeten bijvoorbeeld uit de voeten kunnen met allerlei databanken waarin je kunt vinden welke genen in een bepaalde bacteriesoort voor bepaalde eigenschappen zorgen.
'Iedereen kan gratis de complete set genen van elke bacterie met enkele muisklikken laten screenen’
Die tijdrovende zoektocht behoort tot het verleden, nu de gebruiksvriendelijke software bacLIFE online staat. ‘Alle wetenschappers kunnen daarin gratis de complete set genen van elke bacterie met enkele muisklikken laten screenen. BacLIFE levert dan na een paar dagen een tabel op met voorspellingen van welke genen in een bepaalde bacterie tot welk eiwit leiden.’ En welke daarvan mogelijk relevant zijn voor ziekmakende of juist behulpzame eigenschappen van de bacterie. ‘Met onze tool worden steeds meer genen geïdentificeerd uit wat wij noemen de donkere materie van bacteriegenomen.’
De donkere materie in het bacteriegenoom
Bacteriën hebben zo’n drie- tot vierduizend genen die samen hun genoom vormen. Van ongeveer de helft daarvan is de functie onbekend. ‘Wij noemen dat de donkere materie in het bacteriegenoom’, zegt Víctor Carríon. Een gen codeert voor een ketting of kluwen van aminozuren. Die vormt een eiwit dat een eigen functie heeft bij het overleven, groeien of voortplanten van de bacterie. Op die manier bepalen genen hoe de bacterie functioneert in een bepaalde omgeving.
Bio-informaticus Guillermo Guerrero-Egido bouwde voor bacLIFE een algoritme dat hij voedde met 16.856 genomen van bacteriën uit de geslachten (Para)burkholderia en Pseudomonas. BacLIFE suggereerde honderden genen die mogelijk coderen voor eiwitten die betrokken zijn bij bacterie-eigenschappen die ziekteverwekkend zijn voor planten.
Ze schakelden de genen één voor één uit
Om te testen of de voorspellingen van het algoritme correct waren, gingen collega’s Kevin Bretscher en postdoc Adrian Pintado het lab in. Ze kozen veertien genen die het algoritme voorspelde als ziekteverwekkend voor rijstplanten. Ze schakelden in bacteriën steeds een van de betreffende genen uit door hun genoom gericht te muteren. Met veertien mutanten infecteerden ze rijstplanten en vonden zes genen die betrokken zijn bij het veroorzaken van plantenziekten. Daarmee was het nut van bacLIFE bewezen.
BacLIFE wordt nu getest in allerlei projecten binnen het lab van Carríon. Bretscher deed zijn tijdrovende labtests om de voorspellingen van bacLIFE te verifiëren als masterstudent. Nu onderzoekt hij als promovendus met bacLIFe hoe bacteriën planten helpen om beter tegen een zoute omgeving te kunnen. In een ander project staat de rol van bacteriën bij droogtestress centraal. Carríon: ‘Wij focussen vooral op landbouw, maar bacLIFE is ook bruikbaar voor medische en biomedische doeleinden.’
Uitbraak van bacteriële ziekte
BacLIFE is nu nog toegespitst op de relatie tussen bacteriën en planten, maar als het programma kennis opdoet over bijvoorbeeld bacterie-dier-interacties is het op dat gebied ook te gebruiken. Carrión: ‘Als er een nieuwe bacteriële ziekte zou uitbreken, kunnen onderzoekers het genoom van de ziekteverwekker sequencen en door bacLIFE halen. Dan kunnen ze snel en gericht op zoek naar de genen en eiwitten die de ziekte veroorzaken, of naar eiwitten die betrokken zijn bij resistentie voor antibiotica.’
Pas de software aan en voed hem met genomen
Carríon ziet nog meer mogelijkheden: ‘Je kunt met hulp van bacLIFE ook gemakkelijker uitzoeken hoe je bacteriën een bepaald natuurproduct kunt laten maken. Of hoe je ze een bepaalde reactie wilt laten uitvoeren in een bioreactor.’ Onderzoekers kunnen de opensource-software naar behoefte aanpassen en ‘voeden’ met genomen.
BacLIFE biedt een hoop mogelijkheden die onderzoekers relatief weinig tijd kosten
BacLIFE biedt een hoop mogelijkheden die onderzoekers relatief weinig tijd kosten. Er zitten wel héél veel uren van Guerrero-Egido en Bretscher in dit resultaat. Guerrero-Egido heeft lang gepuzzeld op het programma: ‘In het begin gaf het veel te veel resultaten, daar had je niets aan. Het programma moest de resultaten filteren, maar hoe moest het dan selecteren? Daar heb ik veel moeite voor moeten doen.’
Heel wat drama-meetings
Bretscher, die het labwerk met bacteriën en planten deed, kreeg zijn resultaten ook niet cadeau. ‘Niet alle bacteriën zijn even gemakkelijk toegankelijk voor mutatietechnieken. Het kostte ook heel veel moeite om in Nederland aan zaadjes voor rijstplanten te komen. En ik moest veel aanpassingen doen in bestaande protocollen voor de experimenten.’
Het team hield heel wat ‘drama-meetings’, vertellen ze. Maar toen Bretscher had gezien hoe planten met een gemuteerde bacterie veel beter groeiden dan planten met de ‘originele’ bacterie, maakte dat alles goed. Carríon: ‘We hebben hem nog nooit met zo’n big smile gezien als toen.’
Tekst: Rianne Lindhout