Ergens in de jaren zestig deed microbioloog Thomas Brock veldwerk in het Yellowstone National Park toen hij op een bacteriesoort stuitte die een aardverschuiving in de medische wetenschap zou veroorzaken.

Brock onderzocht nietige organismen die erin slaagden om te overleven in het superverhitte water van de thermale bronnen in het park. In de Mushroom Spring vonden hij en een van zijn studenten goudkleurige matten van sliertige groeisels met daarin een microbe die enzymen produceerde die uitzonderlijk goed tegen de hitte konden.

Tegenwoordig vormen die enzymen een cruciaal onderdeel van de polymerase-kettingreactie (PCR), die in laboratoria in de hele wereld wordt gebruikt om minieme hoeveelheden genetisch materiaal toch te kunnen onderzoeken door er snel miljoenen replica’s van te maken. Zonder de ontdekking van deze hittebestendige bacterie, ruim een halve eeuw geleden, zou de PCR-techniek onmogelijk zijn geweest. De reactie wordt ook in het merendeel van de beschikbare testkits voor COVID-19 toegepast om het signaal van het virus te versterken.

Terwijl het nieuwe coronavirus overal ter wereld huishoudt, is het testen van mensen een cruciaal onderdeel geworden van het volgen en hopelijk afremmen van de zich snel uitbreidende pandemie. Hoewel gezondheidsautoriteiten in de VS traag zijn geweest in het uitdelen van COVID-19-tests, is het PCR-proces waarop de test berust, verrassend eenvoudig en snel. En dat is te danken aan die clusters van bacteriën in de hete bronnen van het Yellowstone-park.

“De PCR-technologie helpt bij het redden van levens,” zegt moleculair bioloog Austin Shull van het Presbyterian College in South Carolina.

Extreme levensvormen

In de zomer van 1964 reed Brock met zijn auto door een gebied zonder wegen en stapte uit in het Yellowstone-park. “Ik had nog nooit een heetwaterbron gezien,” herinnert hij zich. Hij vroeg een parkopziener of er onderzoek was gedaan naar de kleurrijke matten van microben in het stomende water. Hij was opgetogen toen hij hoorde dat deze organismen nog nauwelijks waren bestudeerd.

Brock wist dat alle levensvormen in de hydrothermale poelen van het Yellowstone-park extreem hoge temperaturen moesten kunnen weerstaan. Sommige poelen zijn zó heet dat ze koken – en zelfs daar, zo ontdekte Brock, gedijde het leven.

Toen hij een jaar later terugkeerde om de hete bronnen van het park nader te onderzoeken, stuitte Brock op een glibberige massa aan de rand van de Octopus Spring, waaruit water van bijna 88 graden Celsius opborrelde – heter dan wat volgens de wetenschap van die tijd voor levensvatbaar werd gehouden. Brock nam een monster en omschreef het resultaat in zijn aantekeningen met twee woorden: “Definitief levend.”

Gemotiveerd om nog meer te weten te komen, keerden hij en een van zijn studenten, Hudson Freeze, in 1966 terug naar het park, waar ze de slijmerige matten van blauwalgen rond de Mushroom Spring nader onderzochten. Freeze maakte een kweek van enkele van de microben om de verschillende levensvormen te kunnen identificeren.

“In bijna alle kweken doken bacteriën op,” zegt Brock. De ontdekking van een van deze soorten, Thermus aquaticus, zou een revolutie in de moleculaire biologie teweegbrengen, want dankzij deze bacterie hadden wetenschappers nu een instrument om DNA te manipuleren en te bestuderen.

Hardwerkende microben

Sinds de ontdekking van de sierlijke dubbele DNA-helix, in 1953, doen wetenschappers al het mogelijke om deze minuscule molecuulstructuren te onderzoeken. Maar om inzicht te krijgen in de verschillende DNA-types, hadden ze omvangrijke monsters van de moleculen nodig.

In de jaren tachtig ontwikkelde de Amerikaanse biochemicus Kary Mullis een techniek die nabootste hoe cellen hun DNA repliceren om zich op natuurlijke wijze te delen en te groeien. Daarbij worden met behulp van een stel ‘primers’ of korte DNA-segmenten de gebieden geselecteerd die gekopieerd moeten worden. Vervolgens worden de bouwstenen van het DNA door een enzym (DNA-polymerase) in de gewenste sequentie gerangschikt.

“Het werkt bijna als een kopieermachine,” zo omschrijft Shull van het Presbyterian College de techniek.

Het DNA moet ook keer op keer worden verhit en afgekoeld om telkens meer genetische kopieën te kunnen maken. Maar in deze eerste experimenten raakte het DNA-polymerase tijdens elke cyclus door de hoge temperaturen beschadigd door denaturatie.

“De eigenschappen van de proteïnen veranderden, een beetje zoals bij het bakken van een eitje,” zegt Virginia Edgcomb, microbieel ecologe aan het Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts. De techniek werkte wel, maar ze was zeer traag en omslachtig.

Mullis besefte dat een enzym uit een van ‘zijn’ Yellowstone-bacteriën de cyclus van verhitting en afkoeling kon doorstaan en het hele proces veel sneller kon maken. In de loop der jaren hebben wetenschappers met behulp van deze enzymen het DNA-replicatieproces kunnen automatiseren. Tegenwoordig kunnen onderzoekers binnen een paar uur honderden miljoenen genetische kopieën aanmaken.

Vroeger waren PCR-tests “enorm bewerkelijk en eindeloos traag,” zegt Julie Huber, oceanografe van Woods Hole. “Tegenwoordig is het heel gemakkelijk en routine geworden.”

Bij de COVID-19-test wordt dezelfde reactie toegepast, maar dan met een aantal extra stappen. Het genetische materiaal van het nieuwe coronavirus is RNA in plaats van DNA. RNA lijkt sterk op DNA, maar de genetische instructies ervan zijn met behulp van andere bouwstenen en in slechts één streng gecodeerd. Dus eerst wordt het RNA van het coronavirus veranderd in DNA. In de test wordt een fluorescerend bestanddeel gebruikt om het aantal kopieën van het genetische materiaal (uit neusstrijkjes) te meten. Hoe meer genetische kopieën met behulp van de PCR-methode worden aangemaakt, des te feller het weefselmonster oplicht.

Verrassende ontdekkingen

Toen Brock naar het Yellowstone-park afreisde om er de hete bronnen te onderzoeken, kon hij niet vermoeden dat zijn werk een revolutie in het DNA-onderzoek teweeg zou brengen. “Ik had de vrijheid om zogeheten zuiver natuurwetenschappelijk onderzoek te doen. Sommige mensen noemen dat tijdverspilling, omdat het niet is gericht op enige praktische toepassing,” zei Brock in de rede die hij bij het aanvaarden van een eredoctoraat van University of Wisconsin-Madison uitsprak. “Welke praktische toepassing zou het onderzoeken van levende bacteriën uit de hete bronnen en kokende poelen van het Yellowstone National Park in hemelsnaam kunnen hebben?”

Maar zijn ontdekking heeft het DNA-onderzoek voorgoed veranderd.Wetenschappers weten nu dat microben unieke manieren hebben geperfectioneerd om in bijna elke extreme omgeving op aarde te overleven – van de kokendhete bronnen van het Yellowstone-park tot vulkanische schoorstenen op de bodem van de diepzee. Deze organismen maken gebruik van een schat aan biologische mechanismen waarvan men zich tot voor kort geen voorstelling kon maken.

“Er is daar een diversiteit die bij lange na nog niet is onderzocht en geclassificeerd,” zegt Justin Lawrence, een promovendus van het Georgia Institute of Technology die onderzoek doet naar de microbiële diversiteit op de Zuidpool. Door meer inzicht te krijgen in de wereld van microben, kunnen we ontdekken hoe we ons kunnen beschermen tegen microscopische levensvormen die mogelijk schadelijk voor ons zijn. Maar om praktische toepassingen met behulp van microben te ontwikkelen, zullen onderzoekers toch eerst moeten weten welke soorten er bestaan.

“Pas als je een organisme hebt gevonden en de code ervan hebt uitgezocht, kun je ermee gaan experimenteren en al deze mooie dingen bedenken,” zegt Huber.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com