Je ziet het niet, maar overal waar leven is of is geweest zijn sporen van DNA te vinden. Daarvan kunnen we veel leren. Denk aan biodiversiteitsonderzoek: DNA-technieken oftewel metagenomics kunnen ons helpen bij het verminderen van bestrijdingsmiddelen of het opsporen van nieuwe antibiotica. De groep Environmental Metagenomics van de Hogeschool Leiden doet er onderzoek naar, onder leiding van lector Arjen Speksnijder. De onderzoeksgroep werkt in samenwerking met Naturalis Biodiversity Center aan innovatieve DNA-technieken die onze onzichtbare biodiversiteit in kaart brengen. Speksnijder vertelt erover in dit artikel.
Wat je leest in dit artikel
Arjen Speksnijder, lector Metagenomics aan de Hogeschool Leiden, doet onderzoek met behulp van DNA-technieken, in samenwerking met Naturalis. Met zijn onderzoeksgroep Environmental Metagenomics ontwikkelt hij nieuwe methoden om complexe biologische ecosystemen in kaart te brengen.
Over het onderzoek
Hogeschool Leiden en Naturalis Biodiversity Center slaan de handen ineen: ze werken samen aan verschillende praktijkgerichte onderzoeken om de onzichtbare biodiversiteit in Nederland te monitoren met behulp van DNA-technieken. Gedurende vier jaar proberen ze een DNA-infrastructuur op te zetten en alle soorten in Nederland te herkennen.
Arjen Speksnijder is lector Environmental Metagenomics aan de Hogeschool Leiden. Hij studeerde biochemie aan de Universiteit Leiden en promoveerde aan de Radboud Universiteit (Nijmegen) met een onderzoek naar bacteriën in water en bodem die te maken hebben met onze stikstofproblematiek.
Speksnijder: “Na mijn promotie ging ik naar het Verenigd Koninkrijk voor een postdoc in het Londense National History Museum en de Universiteit van Aberdeen, waar ik veel bodemonderzoek deed. Eenmaal terug in Nederland werd ik in 2001 stafonderzoeker moleculaire microbiologie bij Plant Research International in Wageningen. In 2007 werd ik hoofd van de Medische Microbiologie bij de GGD Amsterdam. In 2013 startte ik bij Naturalis, waar ik voor het biodiversiteitsonderzoek een laboratoriumorganisatie en onderzoekslijnen rondom omgevings-DNA opzette. Toen dat allemaal stond, kreeg ik bij Hogeschool Leiden de mogelijkheid om de positie van lector in te nemen, in combinatie met onderzoek bij Naturalis. Ondertussen ben ik al ongeveer dertig jaar bezig met microbeonderzoek in water, bodem en lucht. Nog steeds met veel plezier.”
Environmental Metagenomics is een gezamenlijke onderzoeksgroep van Hogeschool Leiden en Naturalis Biodiversity Center. Samen ontwikkelen ze nieuwe methoden om complexe biologische ecosystemen in lucht, water, bodem en mens of dier in kaart te brengen.
Speksnijder: “Onderzoek naar biodiversiteit is breed toepasbaar. We hebben dan ook verschillende onderzoekslijnen binnen de onderzoeksgroep. Onze werkwijze is echter hetzelfde: we gebruiken DNA of RNA om te bepalen welke (micro-)organismen aanwezig zijn. Een van de onderzoeken richt zich bijvoorbeeld op bodemonderzoek bij tulpentelers. Zij gebruiken veel bestrijdingsmiddelen. Vanwege nieuwe wet- en regelgeving in de EU mogen ze steeds minder gewasbeschermingsmiddelen gebruiken. De vraag naar wat er precies in de bodem gebeurt, wordt daardoor relevanter. Zo kunnen telers bijvoorbeeld gunstige bacteriën en schimmels in de bodem stimuleren. Daardoor ontstaan minder ziekten en zijn minder bestrijdingsmiddelen nodig.
De bollenteelt staat voor een enorme uitdaging, de sector moet overgaan van een chemisch gestuurde teelt naar een duurzame, meer natuurlijke teelt. De bodem is van cruciaal belang voor de productie van een vitaal en weerbaar gewas. Een geschikte bodem voor de tulp of elk ander gewas vereist precisie microbiologie voor het verkrijgen van de juiste op het gewas afgestemde microbiologische flora van de bodem, de zgn. bodemmicrobiota. Dit vereist maatregelen zoals de input van (micro) organismen met antagonistische werking tegen ziekten en plagen, het toevoegen van groeibevorderaars zoals mycorrhiza en andere grondverbeterings- en grondbewerkingsmethoden. Om het effect van deze maatregelen te kunnen monitoren zal een “metagenomics” platform worden ontwikkeld waarmee de bodem (micro)biologie zo volledig mogelijk taxonomisch en functioneel in kaart kan worden gebracht. Dit geeft de mogelijkheid om bodemkwaliteitsindicatoren en natuurlijke gewasbeschermingsmiddelen te ontwikkelen voor het optimaal geschikt maken van de bodem voor de teelt van tulpen. De doelstelling van dit project is het verkennen van de opties om een adviessysteem te ontwikkelen op basis van de metagenomics analyse van de bodem. We willen nagaan in hoeverre meetgegevens kunnen dienen als basis voor adviezen over het in stand houden/verbeteren van de functionele bodembiodiversiteit en vaststellen wat de praktische bruikbaarheid is van de uitkomsten bij routinematig bodemonderzoek. In het project wordt de samenwerking aangegaan met verschillende partijen. In de eerste plaats worden de eindgebruikers (tulpentelers) actief betrokken bij het project. Daarnaast wordt samengewerkt met bedrijven die producten en adviezen leveren ter verbetering van de bodem. Kennisinstellingen (Naturalis en Universiteit Leiden) zorgen voor aanvulling van de aanwezige expertise. Overige organisaties zoals KAVB, Greenport Duin- en Bollenstreek en IGH BV) zijn betrokken om de kennis die het project oplevert breed te kunnen delen.
In een ander onderzoek samen met Naturalis kijken we naar verborgen stadsnatuur. We brengen biodiversiteit in steden in kaart door te kijken naar nematoden en korstmossen op bomen en stenen. En we kijken naar bacteriën en schimmels in de stadsbodem. Die kunnen een belangrijke functie hebben. Denk aan de signalering van luchtvervuiling of hittestress. Die kun je afleiden uit zulke analyses – heel interessant dus.
Het grootste project in samenwerking met Naturalis is eDentity: Naturalis bouwt een onderzoeksinfrastructuur, gericht op het monitoren van biodiversiteit met behulp van minieme DNA-hoeveelheden. Zo willen we de staat van de natuur in Nederland beter in kaart brengen, en onderzoeken hoe de biodiversiteit zich ontwikkelt.”
We vroegen Speksnijder hoe DNA-technieken in onderzoek precies werken.
Hij vertelt: “Door DNA te onderzoeken, maken we het onzichtbare zichtbaar. In een gram grond kunnen tien miljard bacteriën zitten met een diversiteit van duizenden tot honderden soorten schimmels en tientallen soorten microscopische aaltjes. In water en lucht vinden we lagere maar nog steeds grote hoeveelheden. En er is nog meer, ook al zien we dat niet: sporen van planten, insecten en andere dieren in de vorm van excrementen, huid- of gewasresten – allemaal biologische sporen die DNA bevatten.
We scheppen bijvoorbeeld een klein beetje grond uit de bodem op een willekeurige plek. In een laboratorium voegen we er allerlei chemicaliën aan toe, waardoor het DNA dat in die grond zit vrijkomt. Al die DNA-vingerafdrukken zitten in die vloeistof. Dan kijken we in de database welke vingerafdrukken bij welke soorten horen, en leggen we verborgen biodiversiteit bloot.
Als we dan een halfjaar of een jaar later diezelfde grond onderzoeken, kunnen we vaststellen welke veranderingen in biodiversiteit hebben plaatsgevonden. Zo kunnen we de verschuivingen in kaart brengen, en zo gepaste actie ondernemen of adviezen formuleren. In het licht van het onderzoek voor de tulpentelers kunnen we bijvoorbeeld aangeven welke grond minder geschikt is om op te verbouwen. Maar we houden ook de waterkwaliteit nauwlettend in de gaten. Die is namelijk heel slecht in Nederland. DNA-technieken leveren een meerwaarde aan de specialistische kennis die nodig is om soorten te herkennen.”
De samenwerking tussen Hogeschool Leiden en Naturalis is bijzonder. Ze werkten al eerder samen aan onderzoeken naar tulpenbodems en biodiversiteit in de stad, en zetten die samenwerking nu voort om hun onderzoeksinitiatieven te versterken. De twee grote onderzoeksprojecten zijn Arise en eDentity. Speksnijder zal daaraan een grote bijdrage leveren.
Speksnijder: “Ik ben betrokken bij de techniekontwikkeling binnen twee grote infrastructuurprojecten. Met Arise wil Naturalis met innovatieve technieken een database van alle meercellige Nederlandse soorten opzetten. Naast DNA wordt ook met beeld- en geluidherkenning gewerkt. Met eDentity wil Naturalis werken aan een nationale DNA-infrastructuur om alle soorten in Nederland te monitoren. Samen met Hogeschool Leiden werk ik aan de techniekontwikkeling en -toepassing daarvoor, met een focus om omgevings-DNA uit de lucht te halen. De samenwerking is bijzonder waardevol, ook omdat studenten erbij betrokken zijn: dus met een directe invloed op praktijkgericht onderzoek en onderwijs.”
Bij dit onderzoek zijn verschillende instellingen, onderzoekers en studenten betrokken. We vroegen Speksnijder wat hij hoopt te bereiken.
Hij besluit: “We zijn vanuit Naturalis en Hogeschool Leiden bezig om deze DNA-technieken grootschalig uit te dragen. Ik hoop dat de praktijk daar meer gebruik van gaat maken. We ontwikkelen nu de techniek en de database, maar de implementatie daarvan is in de praktijk nog redelijk beperkt. Ik hoop dat er bijvoorbeeld meer ecologische adviesbureaus komen die hiermee aan de slag gaan, zodat we straks andere inzichten in ecologische vraagstukken kunnen geven. De onzichtbare biodiversiteit kan ons veel leren. En dat is cruciaal om op een duurzame manier te zorgen voor natuurbehoud in ons land.”
Meer weten? Lees hier de projectpagina van de onderzoeksgroep Environmental Metagenomics.
Omics in de polder Het Nederlandse veenweidelandschap staat onder druk. Het veenweidegebied heeft belangrijke functies op het gebied van landbouw, wonen, recreatie, natuur, infrastructuur en waterberging. De verschillende functies van het gebied, klimaatopgaven, de afname van de biodiversiteit, de bodemdaling en de roep om ruimte voor woningbouw zorgen voor een hoogoplopend maatschappelijk debat. Er wordt gezocht naar een systeemverandering met een duurzaam toekomstperspectief voor de landbouw en de verbinding tussen natuur en landbouw in combinatie met de andere functies. In het RAAK-publiek project “Omics in de polder” gaan we Omics-technieken ontwikkelen en toepassen voor het monitoren van de biodiversiteitsveranderingen in het veenweidegebied. Het onderwerp dat we daarbij oppakken is het effect van bemesting op het ecosysteem van de bodem en het oppervlaktewater in de sloten. Deze vraagstelling is ingegeven vanuit het feit dat in mest naast nutriënten ook chemische stoffen kunnen worden aangetroffen die een mogelijk effect hebben op de (microbiële) biodiversiteit in bodem en water. Het onderzoek zal plaatsvinden op twee unieke locaties nabij Leiden waar de verschillende partners binnen dit consortium actief zijn: het Levend Lab en Polderlab Vrouwe Venne. Het Levend Lab is een onderzoeksfaciliteit van de Universiteit Leiden waarin de natuurlijke omstandigheden van ons Nederlandse polderlandschap perfect nagebootst kunnen worden. Hier zullen met name de effecten worden onderzocht van verschillende bemestingsvormen op het ecosysteem van de poldersloot. Het Polderlab is een initiatief van burgercoöperatie Land van Ons. Recent is door deze coöperatie 33 hectare veenweidegrond aangekocht om dit, samen met de daar actieve agrariërs, duurzaam te beheren en te experimenteren met nieuwe teelten. Hier zal het onderzoek zich met name richten op het effect van verschillende bemestingsvormen op het ecosysteem van de bodem. Er wordt in dit project samengewerkt met kennisinstellingen, een burgerinitiatief, een regionaal samenwerkingsverband van gemeenten, een waterschap en andere stakeholders.
Hogeschool Leiden en Naturalis zetten in op een gezamenlijk lectoraat met het thema Metagenomics, een methode waarbij het DNA/RNA wordt gebruikt om te bepalen welke (micro-) organismen aanwezig zijn in een biologisch systeem. Metagenomics kent vele toepassingen en is daarmee een belangrijke lifescience sleuteltechnologie. Voor het lectoraat zullen de ontwikkeling van (nieuwe) methoden voor bemonstering, monstervoorbereiding en DNA sequencing centraal staan. De relatie tussen biodiversiteit en gezondheid (van mens, dier, plant) zal een belangrijk inhoudelijk thema zijn, dit sluit aan op de innovatieopgaven/missies: landbouw, water en voedsel en gezondheid en zorg. Het lectoraat wordt onderdeel van het Leiden Centre for Applied Bioscience (LCAB)1. Metagenomics speelt een belangrijke rol in verschillende reeds lopende projecten en sluit prima aan bij de overige -omics technologieën die worden toegepast bij het praktijkgericht onderzoek van het LCAB. Het beoogde lectoraat heeft een belangrijke brugfunctie naar de andere lectoraten binnen het LCAB en de vakgroep Bioinformatica. Het versterken van de impact van het onderzoek op het onderwijs een belangrijke doelstelling. Voor Naturalis is de ontwikkeling en toepassing van nieuwe inventarisatie- en onderzoeksmethoden gericht op soortherkenning een belangrijk speerpunt. Dit omvat moleculaire technieken, waaronder genetische identificatie en eDNA-metabarcoding, maar ook geautomatiseerde beeld- en geluidsherkenning (door toepassing van kunstmatige intelligentie). Via het metagenomics lectoraat zullen praktijktoepassingen voor deze methoden ontwikkeld worden. Er is grote belangstelling voor de toepassing van Metagenomics bij een scala aan bedrijven en publieke instellingen. Het lectoraat zal uitgaan van bestaande netwerken van beide instituten en deze verder uitbreiden. Belangrijke bestaande kennispartners zijn het biotechnologiebedrijf BaseClear, Universiteit Leiden en het Leids Universitair Medisch Centrum. De infrastructuur van het LCAB en de onderzoekslaboratoria van Naturalis bieden goede mogelijkheden voor facility sharing voor zowel het onderzoek als voor het onderwijs. De ligging van deze organisaties in elkaars directe nabijheid is daarbij een positieve factor.
