Hoe ‘slapende’ micro-organismen het lot van hun soort kunnen bepalen
Micro-organismen die tijdelijk ‘in slaap vallen’ spelen een belangrijke rol bij de evolutie en het voortbestaan van de populatie waar ze deel van uitmaken. Wiskundige Shubhamoy Nandan deed onderzoek naar die ‘sluimerstand’ bij micro-organismen op basis van een vernieuwend wiskundig model.
Wanneer sommige micro-organismen worden blootgesteld aan een vijandige of stressvolle omgeving doen ze iets merkwaardigs: ze gaan in een soort van slaapstand. Het doet wat denken aan een winterslaap. Ze gebruiken het als overlevingsstrategie bij onder meer extreme koude of bij blootstelling aan chemische vervuiling. Ook plantenpopulaties vertonen soms zo’n gedrag: zaden die diep onder de grond bedolven raken kunnen generaties later plots weer ‘wakker worden’.
Shubhamoy Nandan, die in mei 2023 promoveerde aan het Mathematisch Instituut, stelde een model op dat die ‘sluimerstand’ (of ‘dormancy’, in het Engels) wiskundig beschrijft. Het is een onderzoek dat zich bevindt op het snijvlak tussen wiskunde en biologie.
Welk genetisch type zal overleven?
Nandan baseerde zich op een setting waarbij meerdere kolonies van micro-organismen naast elkaar leven. Hij berekende hoe elke kolonie zich zou ontwikkelen, rekening houdende met organismen die in zo’n sluimerstand verkeren. Ook de reproductie van de organismen en de uitwisseling van organismen tussen de kolonies nam hij mee in de berekening. Maar door de nadruk te leggen op de sluimerstand, binnen de context van eindige populaties, gaf hij zijn onderzoek een unieke insteek.
‘Daardoor kunnen we berekenen welke genetische types op de lange termijn zullen overleven’, zegt Nandan. ‘Want als organismen met twee verschillende genotypen (erfelijke eigenschappen, red.) naast elkaar bestaan, zal uiteindelijk een daarvan de overhand krijgen en de andere uitsterven.’ Het model van Nandan berekent welk lot elk type organisme vermoedelijk te wachten staat.
Bij micro-organismen blijft het wiskundig model behapbaar
In theorie is het model ook toepasbaar op complexere organismen, zoals planten en dieren. Maar door eerst alleen micro-organismen te bestuderen, blijft het wiskundig model behapbaar. Bovendien evolueren micro-organismen veel sneller dan complexe organismen, waardoor het wiskundige model binnen een redelijke tijdspanne vergeleken kan worden met wat in de praktijk gebeurt.
Ter ondersteuning van zijn model keek Nandan ook naar deeltjes in de lucht en in vloeistoffen. Want ook die kennen een soort van ruststand. Soms komen ze even tot stilstand en interageren ze niet meer met elkaar, waarna ze hun natuurlijk ‘actief’ gedrag weer oppikken. ‘Onderzoek naar die deeltjes is een relatief nieuwe ontwikkeling in de fysica’, zegt Nandan. ‘We vonden het daarom interessant om het op te nemen in het onderzoek en het te vergelijken met de biologische context.’
Onderzoek naar medische toepassingen zou volgende stap kunnen zijn
Nandan is tevreden met het enthousiasme waarmee zijn onderzoek onthaald wordt. Hij stelt dat het niet altijd vanzelfsprekend is om de aandacht te vestigen op puur theoretisch onderzoek. Al zou het onderzoek in een volgende fase wel eens tot medische toepassingen kunnen leiden.
‘Als je ook nog de mutatie van organismen aan de berekening toevoegt, kan het erg interessant worden bij onderzoek naar kanker’, zegt hij. ‘Je zou dan beter kunnen voorspellen hoe een tumor zich ontwikkelt en welke kankers na een periode van inactiviteit terugkeren.’
Het zou in elk geval boeiend zijn om het theoretische model af te toetsen met echte data, stelt Nandan. Dat zou praktische toepassingen een stuk dichterbij brengen. Nandan werkt zelf sinds de afronding van zijn PhD als risicoanalist bij een Nederlandse bank, maar hij sluit niet uit dat hij op een bepaald moment terugkeert naar de academische wereld.
Tekst: Samuel Hanegreefs