Bacteriën in Noordzeebodem "telefoneren" met elkaar

In de bodem van de Noordzee leven bacteriën die signalen doorsturen via een door hen geproduceerd elektrisch netwerk, op dezelfde manier als een telefoon werkt. Dat hebben onderzoekers van de Vrije Universiteit Brussel (VUB) en het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) vastgesteld. Het gaat om een nieuwe vorm van elektrische communicatie door micro-organismen, die mogelijk kan leiden tot geheel nieuwe bio-elektrische toepassingen.
De bacteriën leven in de bodem van de Noordzee (foto: VRT).

"We wisten reeds langer dat er lange draadvormige 'kabel'-bacteriën in de bodem van de Noordzee leven die in staat zijn om een elektrische stroom te geleiden over centimeters afstand", zegt teamleider Filip Meysman in een persbericht.

"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, en met deze informatie kunnen ze dan hun gedrag aanpassen."

Langere afstand

Het is al langer geweten dat micro-organismen via chemische signalen communiceren, maar dat mechanisme werkt enkel over een korte afstand, omdat de chemische signalen doorgegeven worden via diffusie. Dat is een proces waarbij transport plaats vindt van de ene soort van moleculen door de andere heen ten gevolge van een verschil in moleculaire concentratie

De nieuw ontdekte communicatievorm kan veel grotere afstanden overbruggen omdat hij via elektrische signaaloverdracht werkt, net zoals bij een telefoon. De ontdekking biedt nieuwe mogelijkheden voor toepassingen.

"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", zo zegt Meysman. "Misschien hebben zonnepanelen of smartphones in de toekomst wel minuscule geleidende bacteriedraadjes als onderdeel."

Ondergrondse berichtgeving

De 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", zegt doctor Sairah Malkin, 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 van het sediment, 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."

De bacteriën vormen lange kabels (foto: NIOZ).

Interactie tussen micro-organismen

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 de onderzoekers 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 veranderende zuurstofsignaal om in een elektrische stroom, die vervolgens werd doorgestuurd naar diepere sedimentlagen. Daar wordt het signaal opnieuw omgezet in veranderende 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 ze daaraan hun gedrag aanpassen.

"Daar waar het normaal dagen duurt voordat een chemisch signaal de bodem binnendringt, gebeurde de signaaltransmissie nu ongelofelijk snel", zo zegt Malkin. "Toen ik de lichtknop omdraaide, en de eerste keer zag dat het diep sediment reageerde binnen luttele minuten, was ik compleet verbaasd."

Telegraaf

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 levensvormen onderin de zeebodem weten 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", zo zegt professor Meysman nog.

De studie is verschenen in het tijdschrift Applied and Environmental Microbiology.

Meest gelezen