Multilayer analysis reveals extensive hidden population complexity in a dairy starter microbiome comprising few species

In de wereld van de voedselwetenschap vindt een deel van het belangrijkste werk plaats in de onzichtbare wereld van bacteriën. Bij het maken van traditionele kazen zoals Gouda of Cheddar vertrouwen producenten op startculturen: mengsels van microscopische organismen die melk in vaste kaas veranderen en de kenmerkende smaak creëren. Al meer dan een eeuw worden deze culturen in leven gehouden en van batch naar batch doorgegeven, een praktijk die bekend staat als het gebruik van een "ongedefinieerde" starter, omdat de exacte mix van bacteriën in het mengsel niet volledig bekend of gecontroleerd is. Wetenschappers vermoedden al lang dat deze mengsels complexer zijn dan ze lijken, en dat ze een enorme variëteit aan verschillende bacteriestammen verbergen die samenwerken om de kaas veilig en lekker te houden. Het begrijpen van deze verborgen diversiteit is cruciaal, omdat het bepaalt hoe goed de kaas bestand is tegen aanvallen van virussen die bacteriën infecteren, bekend als fagen, die een hele productiebatch kunnen verpesten.

Een team onderzoekers zette zich scharpe schijnwerpers op het in kaart brengen van deze verborgen wereld binnen een specifieke Deense startcultuur genaamd Tistrup, die al meer dan honderd jaar in gebruik is. Ze wisten dat het simpelweg kweken van bacteriën in een laboratoriumschaaltje om ze te tellen niet voldoende was, aangezien veel stammen gemist of over het hoofd gezien zouden kunnen worden. In plaats daarvan combineerden ze twee krachtige methoden: het kweken van een grote collectie individuele bacteriestammen in het lab en het lezen van de genetische code van het gehele mengsel direct uit de cultuur, zonder eerst iets te kweken. Door te vergelijken wat ze in het lab vonden met wat ze vonden in het ruwe mengsel, ontdekten ze dat de gemeenschap veel complexer was dan een van beide methoden alleen had kunnen onthullen. De studie laat zien dat zelfs in een groep bacteriën die aan de oppervlakte eenvoudig lijkt, een diepe laag genetische variëteit bestaat die de gemeenschap in staat stelt om te overleven en te gedijen.

De onderzoekers begonnen door naar de Tistrup-cultuur te kijken, die wordt gedomineerd door slechts enkele soorten bacteriën, voornamelijk Lactococcus cremoris en Lactococcus lactis. Omdat er zo weinig soorten zijn, verwachtten ze dat de genetische verschillen tussen individuele bacteriën klein zouden zijn. Echter, toen ze het DNA van 111 verschillende bacteriestammen sequentieerden die ze in het lab hadden gekweekt en deze vergeleken met de genetische gegevens van het hele mengsel, stuitten ze op een verrassende hoeveelheid verborgen complexiteit. De twee methoden kwamen niet alleen overeen over dezelfde bacteriën; ze vonden verschillende delen van de populatie. De in het lab gekweekte stammen vormden slechts een fractie van de diversiteit die in de cultuur aanwezig was, terwijl de directe genetische lezing van het mengsel veel lineages onthulde die de labmethoden volledig hadden gemist.

Een van de meest opvallende bevindingen betrof de celwanden van deze bacteriën. Het buitenste oppervlak van een bacterie is bedekt met een suikerachtige laag, een celwand-polysacharide genoemd, die fungeert als een specifiek sleutelgat waarmee virussen de cel kunnen binnendringen en infecteren. De onderzoekers ontdekten dat het meest voorkomende type van deze suikerlaag in de cultuur, dat bijna dertig procent van de populatie uitmaakt, volledig afwezig was bij de bacteriën die zij in het lab hadden gekweekt. Dit betekent dat de meest voorkomende bacteriën in de cultuur juist de bacteriën waren die de wetenschappers niet hadden weten te kweken, waardoor een groot deel van de gemeenschap onzichtbaar bleef voor traditionele methoden. De in het lab gekweekte bacteriën droegen voornamelijk andere, minder voorkomende versies van deze suikerlaag, wat suggereert dat de omstandigheden die werden gebruikt om ze in het lab te kweken, een specifieke, minder dominante groep bevoordeelden.

Naast de celwanden keken de onderzoekers naar andere genetische kenmerken die bacteriën helpen zichzelf te verdedigen tegen virussen. Ze onderzochten de aanwezigheid van virussen die zich in het bacteriële DNA verstoppen, bekend als profagen, en de verschillende verdedigingssystemen die de bacteriën gebruiken om aanvallen te bestrijden. Ze vonden dat deze verdedigingstools in talloze combinaties werden gemengd en gecombineerd. Zelfs bacteriën die bijna identiek leken in hun kern-genetische code, droegen verschillende sets verdedigingssystemen en verborgen virussen. Deze variëteit werkt als een schild voor de gemeenschap; als een virus één type bacterie aanvalt, kunnen anderen met andere verdedigingen overleven en het kaasbereidingsproces voortzetten. De studie toonde aan dat deze defensieve diversiteit veel groter was dan wat zichtbaar zou zijn door enkel naar de in het lab gekweekte stammen te kijken.

Het team onderzocht ook de mobiele genetische elementen, kleine lussen van DNA genaamd plasmiden die bacteriën met elkaar kunnen uitwisselen. Deze plasmiden dragen vaak genen die essentieel zijn voor het maken van kaas, zoals die nodig zijn voor het verteren van melksuiker of het afbreken van eiwitten. De onderzoekers ontdekten dat deze plasmiden ook zeer divers waren en in verschillende combinaties door verschillende stammen werden gedragen. Door een speciale techniek te gebruiken die chemische markeringen op het DNA leest, waren ze in staat om veel van deze plasmiden te koppelen aan de specifieke bacteriën die ze droegen, zelfs wanneer die bacteriën niet in het lab waren gekweekt. Dit stelde hen in staat om te zien dat hetzelfde plasmide in verschillende soorten kon worden gevonden, waarbij het tussen hen heen bewoog en belangrijke eigenschappen door de gemeenschap verspreidde.

De studie concludeert dat de complexiteit van deze zuivelstarter niet alleen gaat over het hebben van veel verschillende soorten, maar over het enorme aantal verschillende genetische combinaties die bestaan binnen slechts enkele soorten. De onderzoekers ontdekten dat geen enkele methode, of het nu het kweken van bacteriën in een lab was of het direct lezen van het DNA van het hele mengsel, het volledige plaatje kon vatten. De labmethoden misten de meest voorkomende stammen, terwijl de directe DNA-lezing niet altijd kon aangeven welke specifieke stam welk gen droeg. Pas door beide benaderingen te combineren, konden zij de ware omvang van de diversiteit beginnen te zien. Deze verborgen variëteit, bestaande uit celwanden, verdedigingssystemen en mobiel DNA, biedt de gemeenschap een robuust vermogen om virale aanvallen te weerstaan en de kwaliteit van de kaas te handhaven. De bevindingen suggereren dat de veerkracht van deze traditionele starters voortkomt uit een diepe, combinatorische diversiteit die grotendeels verborgen blijft, tenzij wetenschappers de gemeenschap door meerdere lenzen bekijken.