De darmflora van een man uit de kopertijd

Toen Erika en Helmut Simon in 1991 tijdens een bergtocht in de Alpen een lichaam uit het ijs zagen steken, konden ze onmogelijk vermoeden dat deze onbekende man wereldberoemd zou worden. Het bleek te gaan om een man die ongeveer 5300 jaar geleden stierf in de Ötztaler Alpen, op de grens tussen het huidige Oostenrijk en Italië. Dat verklaart ook meteen zijn bijnaam: Ötzi.

Sindsdien werd Ötzi het middelpunt van een wetenschappelijke cold case en werd hij onderworpen aan een grondige, decennialange gezondheidscheck. Met CT-scans, DNA-analyses, microscopie en eindeloos veel geduld probeerden onderzoekers te reconstrueren wie hij was, hoe hij leefde en hoe hij uiteindelijk stierf. Daarbij werd al snel duidelijk dat hij tijdens zijn leven aardig wat pijn moet hebben geleden. Hij kampte onder meer met versleten gewrichten, artritis, galstenen en een lelijke vergroeiing aan zijn kleine teen die mogelijk door bevriezing was veroorzaakt.

Bovendien zaten zijn ingewanden vol met eitjes van parasitaire wormen en had hij mogelijk een infectie met de door teken overgedragen Lyme-bacterie doorgemaakt. Alsof dat nog niet genoeg was, werden er alarmerende hoeveelheden arsenicum in zijn lichaam gevonden. Vermoedelijk was dat het gevolg van zijn werk bij het smelten en bewerken van koper. Ook zijn gebit vertoonde sporen van stevig tandbederf en tandvleesaandoeningen. Ötzi had daarnaast enkele opmerkelijke anatomische afwijkingen: hij miste een twaalfde paar ribben, had geen verstandskiezen, vertoonde een forse spleet tussen zijn voortanden en onderzoekers vermoeden zelfs dat hij onvruchtbaar was.

Opvallend is ook zijn huid, die bedekt was met maar liefst 61 tatoeages. In de kopertijd werden tatoeages niet met een naald gezet, maar door kleine sneetjes in de huid te maken en daar houtskool in te wrijven. Omdat de lijntjes en kruisjes zich voornamelijk bevinden op plekken die snel pijnklachten geven, zoals de rug en de gewrichten, suggereren sommige wetenschappers dat de tatoeages dienden als een vroege vorm van acupunctuur om zijn kwalen te verlichten. Ondanks deze indrukwekkende waslijst aan medische problemen was de uiteindelijke doodsoorzaak gewelddadig: hoewel hij nog een verse pijlwond in zijn schouder had en ongeveer twee uur voor zijn dood nog een maaltijd van steenbokvlees en granen had genuttigd, werd een plotselinge klap op zijn hoofd hem fataal.

Maar Ötzi vertelt niet alleen iets over mensen uit de kopertijd. Hij vertelt ook iets over hun microben.

Een nieuwe studie in het wetenschappelijke tijdschrift Microbiome toont dat de ijsmummie geen volledig stilstaand museumstuk is. Op en in zijn lichaam bevindt zich nog altijd een complexe microbiële wereld: een mengeling van oeroude darmbacteriën, microben uit de gletsjer en moderne bacteriën uit de museumomgeving. Onderzoekers van Eurac Research beschrijven Ötzi daarom niet als een dood object, maar als een dynamisch biologisch systeem.

Een lichaam als tijdcapsule

Vandaag wordt Ötzi bewaard in het Zuid-Tiroler Archeologiemuseum in Bolzano. Hij ligt daar bij ongeveer -6 °C en een luchtvochtigheid van 99 procent. Dat lijkt extreem, maar het benadert de omstandigheden waarin hij duizenden jaren in de gletsjer bewaard bleef. Voor de meeste micro-organismen is dat veel te koud om actief te groeien. Maar, zoals wel vaker bij micro-organismen, zijn er uitzonderingen.

Sommige microben hebben zich gespecialiseerd in deze extreme temperaturen. Ze worden psychrofiel of psychrotolerant genoemd: koude-minnend of koude-verdragend. Zulke organismen komen voor in gletsjers, poolgebieden en andere ijzige omgevingen. Voor hen is -6 °C daarom nog geen gezellige kamertemperatuur, maar ook geen absoluut einde. Eerder een biologische traagstand.

Dat maakt Ötzi wetenschappelijk zo interessant. Zijn lichaam bevat microben uit verschillende tijden. Sommige zaten mogelijk al in zijn lichaam toen hij nog leefde. Andere kwamen erbij na zijn dood, tijdens zijn verblijf in het ijs. Nog andere belandden pas op hem na zijn ontdekking in 1991, via lucht, water, onderzoekers of conserveringsmethoden.

De grote uitdaging is dus: hoe weet je welke microben echt oud zijn?

Ötzi leeft nog een beetje 

In de interne weefsels van Ötzi, waaronder de darm- en maaginhoud, vonden de onderzoekers genetisch materiaal van bacteriën die waarschijnlijk deel uitmaakten van zijn oorspronkelijke darmflora. Het gaat onder meer om anaerobe bacteriën, microben die niet van zuurstof houden en dus goed passen bij een darmomgeving. De studie vermeldt onder andere Romboutsia hominis, Ruminococcus bromii, Clostridium moniliforme en Treponema succinifaciens.

Wat daarbij opvalt voor onderzoekers die het darmmicrobioom bestuderen, is dat Ötzi’s darmflora niet erg lijkt op die van de gemiddelde moderne Europeaan, maar eerder op die van mensen uit niet-geïndustrialiseerde samenlevingen. Als onderzoeker naar het darmmicrobioom vind ik dat misschien wel het meest fascinerende deel van de studie. Niet omdat we nu plots “de oerdarmflora van de mens” hebben gevonden, maar omdat Ötzi ons een zeldzame, zij het zeer onvolmaakte, blik geeft op een microbioom van vóór onze moderne levensstijl. Net dat maakt de vondst zo waardevol. Ötzi leefde lang vóór antibiotica, ultrabewerkte voeding, koelkasten, keizersneden, stedelijke hygiëne en supermarktbrood onze darmflora grondig veranderden. Zijn microbioom biedt daardoor een zeldzame blik op hoe de menselijke darmflora eruitzag vóór de moderne levensstijl onze interne microbenwereld herschikte.

Tegelijk moeten we voorzichtig blijven. Ötzi is geen gemiddelde mens uit de kopertijd. Hij is één individu, leefde hoog in de bergen, had parasieten en sporen van infecties, en at wellicht heel anders dan veel van zijn tijdgenoten. Zijn microbioom is dus geen perfecte blauwdruk van “de prehistorische darmflora”. Het is eerder een uniek datapunt: bijzonder waardevol, maar ook bijzonder uitzonderlijk.

Om zeker te zijn dat het niet om recente besmetting ging, keken de onderzoekers niet alleen naar wélke bacteriën ze vonden, maar ook naar de staat van hun DNA. Oud DNA draagt namelijk een herkenbare vorm van moleculaire slijtage. Na duizenden jaren breekt het in steeds kleinere stukjes. Bovendien ontstaan er aan de uiteinden van die fragmenten typische chemische veranderingen.

Een van de bekendste vormen van die schade is deaminatie. Daarbij verliest de DNA-letter cytosine, afgekort C, een kleine chemische groep en verandert ze in uracil. Uracil lijkt sterk op thymine, de DNA-letter T. Wanneer onderzoekers dat beschadigde DNA later uitlezen, verschijnt zo’n oude C daardoor vaak als een T.

Voor wetenschappers zijn zulke C-naar-T-veranderingen bijzonder nuttig. Ze komen vooral voor aan de uiteinden van oude DNA-fragmenten en werken daardoor als een soort moleculaire ouderdomsstempel. Modern DNA is meestal langer en ‘netter’. Oud DNA is korter, brozer en draagt precies die karakteristieke foutjes aan de randen. Het is een beetje alsof je oude perkamentfragmenten opnieuw aan elkaar puzzelt. De tekst vertelt wat erop staat, maar de vergeelde kleur, de scheurtjes en de rafelige randen verraden hoe oud het document is.

De bacteriën diep in Ötzi’s lichaam droegen zulke ouderdomssporen. Hun DNA was niet fris en intact, zoals je zou verwachten bij een recente besmetting, maar beschadigd op een manier die typisch is voor oud DNA. Dat maakt het aannemelijk dat deze bacteriën al duizenden jaren in zijn lichaam aanwezig waren. Ze zijn dus geen toevallige moderne indringers, maar microbiële resten uit een ver verleden.

Gisten die van ijs houden

Aan de buitenkant van de mummie vonden de onderzoekers een ander verhaal. Op de huid, in smeltwater en in monsters rond het lichaam ontdekten ze koude-minnende gisten, waaronder soorten uit groepen zoals Glaciozyma, Mrakia, Phenoliferia en Goffeauzyma. Sommige daarvan zijn verwant aan gisten uit extreem koude omgevingen, zoals Antarctica of gletsjers.

Wat deze vondst zo fascinerend maakt, is dat die gisten niet zomaar dood lijken te zijn. De studie vond aanwijzingen dat bepaalde gistpopulaties onder de huidige bewaarcondities mogelijk nog traag actief zijn. In vergelijking met oudere monsters vertoonden sommige gisten minder typische DNA-schade en leken ze in relatieve hoeveelheid toe te nemen. Dat wijst erop dat ze niet alleen als oude restanten aanwezig zijn, maar mogelijk nog kunnen groeien of zich aanpassen.

Daarmee rijst een bijna sciencefictionachtige vraag: zijn dit afstammelingen van cellen die al duizenden jaren in de kou hebben overleefd? Of zijn het slapende sporen die opnieuw actief werden toen Ötzi na zijn ontdekking in een museumomgeving terechtkwam? De auteurs kunnen dat nog niet definitief beantwoorden. Maar beide scenario’s zijn interessant om verder te onderzoeken.

Dat zulke gisten meer zijn dan een curiositeit, bleek ook uit een opvallend experiment: onderzoekers maakten zuurdesembrood met gist die op Ötzi’s lichaam werd gevonden. Mogelijk kunnen zulke koude-minnende gisten ooit nuttig zijn voor fermentatieprocessen bij lage temperatuur, bijvoorbeeld voor brood, bier of andere toepassingen waarbij minder verwarming nodig is. 

De mummie die zijn microben trainde

Alsof dat nog niet opmerkelijk genoeg is, laat het onderzoek ook zien hoe menselijke conservering onbedoelde effecten kan hebben.

Na zijn ontdekking werd Ötzi behandeld met fenol, een chemische stof die schimmelgroei moest tegengaan. Dat klinkt logisch: je wil een unieke mummie beschermen tegen microben. Maar sommige microben blijken net goed om te kunnen met fenol. De onderzoekers vonden gisten en bacteriën met genen die hen in staat stellen fenol af te breken. Met andere woorden: een stof die bedoeld was om ongewenst leven te onderdrukken, kan net microben bevoordeeld hebben die ermee kunnen omgaan.

Een opvallend voorbeeld is een specifieke Pseudomonas-stam , Pseudomonas sp. 5C2. Die werd op meerdere plaatsen op of in de mummie teruggevonden en leek over de jaren heen opvallend stabiel aanwezig. De onderzoekers suggereren dat zo’n bacterie zich mogelijk heeft aangepast aan de unieke omstandigheden van de mummie en de museumomgeving. In zekere zin heeft Ötzi, zonder het te willen, zijn eigen microbiële bewoners geselecteerd.

Ook het sproeiwater dat gebruikt wordt om de luchtvochtigheid rond de mummie op peil te houden, liet sporen na. De onderzoekers vonden bacteriën die typisch kunnen voorkomen in watersystemen en die vooral aan de buitenkant van de mummie aanwezig waren. Hierin zit een belangrijke les, want dat betekent dat conservering nooit volledig neutraal is. Elk contact met water, lucht of chemische stoffen verandert het microbieel landschap.

Gevaar voor Ötzi?

Betekent dit dat Ötzi langzaam wordt opgegeten door zijn eigen microben? Zo dramatisch is het voorlopig niet. De omstandigheden waarin de mummie wordt bewaard, zijn zeer stabiel en worden nauwkeurig gecontroleerd. Toch is waakzaamheid nodig.

Sommige gevonden microben beschikken over genen voor enzymen die eiwitten, vetten of collageen kunnen afbreken. Collageen is een belangrijk bestanddeel van huid en bindweefsel. Dat betekent niet automatisch dat ze de mummie actief beschadigen, maar het toont wel dat ze daar biologisch toe in staat zouden kunnen zijn als de omstandigheden veranderen.

Dat is misschien de belangrijkste les van deze studie. Een mummie bewaren is niet simpelweg “invriezen”. Zelfs bij -6 °C kan er een traag microbieel evenwicht bestaan. Wie een lichaam uit het verleden wil bewaren, moet dus ook het onzichtbare leven errond en erin blijven volgen.

Een les in overleven

Ötzi blijft ons verrassen. Eerst leerde hij ons hoe mensen in de kopertijd aten, jaagden, zich kleedden en stierven. Nu leert hij ons hoe hardnekkig microbieel leven kan zijn.

Zijn lichaam bevat tijdlagen: oude darmbacteriën uit zijn leven, microben uit de gletsjer, bacteriën uit de museumomgeving en gisten die misschien nog altijd traag verder leven in de kou. Ötzi is een archief waarin mens, ijs, tijd en microben door elkaar lopen.

Meer dan 5300 jaar na zijn dood is de ijsman dus nog altijd niet helemaal klaar met vertellen.