De virtuele biofilm: een kijkje achter de schermen in bacteriële kolonies

Een zoekopdracht op het internet over biofilms levert al snel zorgwekkende treffers op. Zo wordt er gesproken van een oorlog tegen biofilms die zich afspeelt op allerlei fronten: van menselijke gezondheid tot de ruimtevaart. Maar wat zijn biofilms nu precies en wat beïnvloedt de vasthechting van cellen?

Biofilms zijn kolonies bestaande uit micro-organismen zoals bacteriën, waarbij de cellen zich vasthechten aan een oppervlakte of simpelweg aan elkaar. Plakkend zijn – of een sterk adhesievermogen hebben – is met andere woorden essentieel voor de biofilmgemeenschap. De plakkende matrix die de cellen produceren vormt echter ook een sterke barrière tegen onze bestrijdingsmiddelen. Eens de cellen zich dus bijvoorbeeld hechten in onze longen wordt het verwijderen daarvan bijzonder uitdagend. Indien de biofilm niet effectief onderdrukt kan worden, leidt dat tot chronische infecties. Niet enkel menselijke weefsels worden daardoor getroffen, maar ook andere oppervlaktes zoals voeding of niet-biologisch materiaal kunnen besmet worden (denk aan corrosie van stalen buizen of, op grotere schaal, bij ruimtevaartuigen). Biofilms zijn nagenoeg overal terug te vinden, en dat in groten getale. Hoewel men in het labo meestal vrijlevende bacteriën onder de loep neemt, leiden de meeste van hen een sedentair leven: in aquatische ecosystemen, bijvoorbeeld, leeft naar schatting meer dan 99.9% van de bacteriën in kolonies, aldus Costeron et al., 1995 en Geesey et al., 1978. Merk overigens op dat biofilms niet per definitie een bedreiging vormen voor de mens. Er zijn talrijke voorbeelden van micro-organismen die een voordelige rol spelen in ons leven, zoals in waterzuivering, bodemstabilisatie of onze spijsvertering. Biofilms bekleden dus een onmiskenbare rol in ons dagelijks leven.

“... in aquatische ecosystemen, bijvoorbeeld, leeft naar schatting meer dan 99.9% van de bacteriën in kolonies.”

Vergelijkbaar met een bos bestaat een biofilm meestal uit verschillende soorten, en afhankelijk van zijn ouderdom nemen andere cellijnen de bovenhand. Dat proces wordt in biologische termen successie genoemd. In deze masterthesis werd successie gesimuleerd aan de hand van een computermodel. Dat betekent concreet dat cellen, net zoals in een echte biofilm, een kans hebben om kolonies te vormen. Die kans is proportioneel met het eigen adhesievermogen en dat van nabijgelegen buren. Aangezien een computermodel de computationele kracht bezit om aan hoge snelheid vele generaties te verwerken, is het mogelijk om de evolutionaire patronen te bestuderen die zich ontvouwen gedurende biofilmgroei. Zo observeerden we dat, ook in dit virtuele scenario, een successieproces plaatsvindt waarbij de hechtsterkte verandert doorheen de tijd. Verder vonden we dat een verhoogd aanpassingsvermogen leidt tot een diversere gemeenschap. 

Successie en hoe het adhesievermogen verandert 

Om een biofilm te vormen, moeten cellen zich vasthechten aan een oppervlakte. Lege oppervlaktes zijn echter moeilijk te koloniseren. Bijgevolg kunnen enkel sterk plakkende individuen de eerste stap zetten. Zodra die zijn aangehecht, vormen ze als het ware een fundament waarop ook andere cellen kunnen bouwen. Cellen die later aankomen benutten de kans om zich stevig aan plakkerige kolonisatoren vast te houden. Waarom zouden de laatkomers zelf nog veel energie investeren in adhesie eens er ankers bij de vleet aanwezig zijn? Het antwoord is simpel: dat doen ze steeds minder. Het gemiddelde adhesievermogen van cellen in de biofilm is dus relatief hoog bij aanvang van het bouwproject. Echter, naargelang het oppervlakte bezet wordt, daalt de hechtsterkte tot het uiteindelijk een relatief stabiel evenwicht bereikt.

Stel u vervolgens voor dat er een natuurramp plaatsvindt: het bouwproject wordt vernield, het evenwicht is verstoord. Ditmaal zal er nood zijn aan sterke kolonisatoren voor de wederopbouw. Het toevoegen van verwoestende krachten resulteert in het ontstaan van twee groepen: zij die aangepast zijn aan de opbouw van een nieuwe biofilm en zij die floreren eens de fundamenten zijn gelegd.

Overlevingstactieken en diversiteit in de gemeenschap

Gelukkig kondigt de natuur haar rampen soms aan. Zij die voortekens op weten te pikken, kunnen catastrofes ontlopen. Wanneer we cellen de sensorische middelen gaven om hun adhesievermogen aan te passen aan de lokale omstandigheden, deed er zich een opmerkelijk fenomeen voor: de gemeenschap werd diverser. Sommige cellijnen ontwikkelen een goede neus voor nutriëntenniveaus, terwijl andere alarm slaan bij hoge populatiedruk. Er ontstaat zodoende een diverse waaier aan overlevingstactieken, waarvan sommige bijzonder verrassend zijn. 

Een interessant voorbeeld zijn cellen die leven onder een instabiel regime dat wordt getypeerd door veel onvoorspelbare rampen. Individuen kunnen zich niet wapenen door hun sensorische gevoeligheid te verhogen, aangezien de veranderingen niet worden aangekondigd. Uit het niets wordt een hele biofilm weggevaagd. Men zou dus verwachten dat cellen hun hechtsterkte verlagen en de gevaarlijke biofilm achter zich laten. Het tegendeel is waar. Cellen verhogen de basisadhesie, waardoor ze goed op het oppervlakte blijven plakken. Hier kunnen cellen ongebreideld vermenigvuldigen, het oppervlakte wordt immers regelmatig opgeschoond en er is dus weinig competitie voor ruimte. Zodra de cellen stevig aangehecht zijn, verminderen ze echter het adhesief vermogen. Op die manier kan een cel ook weer uit de riskante omgeving ontsnappen, en met een beetje geluk doet hij dat na zijn vitale taak volbracht te hebben.

Hoe computermodellen ons vooruithelpen

Proeven uitvoeren in een virtuele biofilm gaat uiteraard gepaard met limitaties. Zo is een computermodel altijd een vereenvoudigde weergave van de werkelijkheid, en bijgevolg moeten resultaten voorzichtig geïnterpreteerd worden. Desondanks kunnen dergelijke modellen ons inzicht in biologische systemen aanscherpen. We kunnen de effecten van verschillende factoren zoals voedingstekorten, milieuverstoringen en ruimtelijke heterogeniteit in een gecontroleerde omgeving bestuderen, en dat alles in een mum van tijd. Door de complexiteit geleidelijk aan op te drijven, zijn we in staat om de werkelijkheid steeds dichter te benaderen, zonder de interagerende factoren uit het oog te verliezen. Met behulp van deze computersimulaties hopen we meer bij te leren over het functioneren van biofilms om ons op die manier ook beter te wapenen tegen de uitdagingen die deze kolonies met zich meebrengen. We willen deze kleverige wezens per slot van rekening liever niet overal mee naartoe nemen, en al zeker niet op ruimtereis.