Genen uit de Noordzee vissen
In één gram verse zeebodem leven miljoenen bacteriën. In de genomen van deze bacteriën is te zien hoe zij zich wapenen tegen bijvoorbeeld zware metalen. Ann-Charlotte Toes onderzoekt aan de TU Delft de interacties tussen bacteriën, zware metalen en havenslib.
Bagger
- Het baggeren van een haven maakt zware metalen vrij.
In en rondom havens is de zeebodem vervuild met zware metalen. Een metaal wordt zwaar genoemd als het een soortelijk gewicht heeft hoger dan vijf gram per kubieke centimeter. Zink en lood zijn goede voorbeelden van zware metalen.
Een belangrijk deel van deze vervuiling ontstaat door een speciale verf op scheepsbodems, die roesten tegen gaat en vasthechting van schelpen en wieren voorkomt. Het actieve bestanddeel van deze verf is vaak een verbinding met zware metalen. Havenslib bestaat uit fijne kleideeltjes waar metalen goed aan vast plakken. Meestal is het het beste om de zware metalen in het slib te laten zitten en niet te baggeren. Maar om havens bevaarbaar te houden wordt in Europa jaarlijks 100 miljoen kubieke meter slib gebaggerd.
Giftig
Het belangrijkste aspect van de giftigheid van zware metalen is dat metaalionen graag een chemische verbinding aangaan met iets anders, zoals zwavelgroepen in eiwitten. Eiwitten komen in elke cel voor en de precieze structuur van het molecuul bepaalt de biologische functie. Door al die vastklevende metalen wordt een eiwit onherstelbaar beschadigd en gaat de bacterie dood. Deze eigenschap zorgt er bovendien voor dat zware metalen zich ophopen tot giftige hoeveelheden hoger in de voedselketen, zoals in het vetweefsel van een meeuw of zeehond bijvoorbeeld.
Onmisbaar
Toch bezit een aantal zware metalen gunstige en zelfs onmisbare functies in biologische systemen. Zink en kobalt bijvoorbeeld zijn belangrijke vitamines voor de mens maar ook voor de bacterie. Hetzelfde geldt voor koper, nikkel en ijzer. Omdat bacteriën metalen nodig hebben en deze meestal heel schaars zijn, is de celwand erop gebouwd metaal-ionen gemakkelijk binnen te laten. Gevolg is dat in een omgeving met veel metalen, de concentratie in de cel snel stijgt en de cel in moeilijkheden komt.
Oersoep
Al sinds het ontstaan van leven op aarde worstelen bacteriën met zware metalen. Zware metalen komen namelijk ook van nature vrij, onder andere door erosie van de aardkorst en uitbarsting van vulkanen. Ongevoeligheid voor zware metalen zijn dus al vroeg in de evolutie ontwikkeld. Juist omdat bacteriën al zo lang aan zware metalen worden blootgesteld, beschikken zij over een groot scala aan verdedigingsmechanismen. Ieder beestje bezit zo zijn eigen arsenaal aan geheime wapens.
Bewapening
Het meest voorkomende type bewapening bestaat uit een speciaal eiwit dat wordt ingebouwd in de celwand. Dit eiwit fungeert als een selectieve uitsmijter die het teveel aan metalen naar buiten stuurt. Een andere methode is het produceren van speciale stoffen, bijvoorbeeld slijm, sulfide of ijzeroxide, die metalen absorberen en uit de oplossing verwijderen. Afhankelijk van het soort metaal en het type bacterie zijn er nog andere mogelijkheden om van de zware metalen af te komen. Zo resulteren de bijzondere fysische eigenschappen van kwik erin dat sommige bacteriën met een chemisch trucje kwikgas produceren, dat spontaan naar de atmosfeer verdwijnt.
Genomics in modder
- Het verzamelen van monsters havenslib voor onderzoek op het lab
DNA-extractie van één gram verse modder levert miljoenen bacteriële genomen op. Hierin ligt een schat van informatie besloten. Een eerste inventarisatie kan worden gemaakt met het 16S ribosomaal DNA, een zogenaamd huishoudgen dat veel gebruikt wordt bij het herkennen van soorten micro-organismen. Dit gen geeft informatie over de soorten bacteriën die aanwezig zijn. Gedetailleerde studies naar specifieke genen, zoals een gen coderend voor een eiwit dat cadmium uit de cel pompt, zeggen iets over de mate van blootstelling aan metaalvervuiling, recent of in het verre verleden. Omdat onder andere in ziekenhuizen is gebleken dat resistenties zich met verbazingwekkende snelheden over hele bacteriële populaties kunnen verspreiden, is het fascinerend de oorsprong van resistentiegenen te traceren.
Opruimer of bio-indicator
Voor praktische toepassingen zijn vooral metaalresistente bacteriën interessant, die sulfiden of ijzeroxides afbreken. Dit zijn belangrijke dragers van metalen in de zeebodem en wellicht dat deze bacteriën ooit kunnen worden ingezet om vuil slib biologisch te zuiveren. Omgekeerd kunnen andere bacteriën, die juist heel gevoelig zijn voor zware metalen, misschien dienen als bio-indicator voor een schone omgeving. Het feit dat een bacterie een bepaald gen bezit, wil overigens niet zeggen dat het ook door de cel wordt gebruikt tijdens metaalstress. Daarom is het belangrijk om bacteriën te kweken in het lab en te kijken wat er precies gebeurt wanneer je ze met zware metalen pest.
