Elk dier moet urineren om vloeibare afvalstoffen in zijn lichaam kwijt te raken. Hoewel de urine van een gezond persoon een duidelijk gele kleur heeft, is het wetenschappers al eeuwenlang onduidelijk wat de urine eigenlijk deze tint geeft. Nu gelooft een team van de Universiteit van Maryland en de National Institutes of Health dat ze dit mysterie hebben opgelost door het microbiële enzym op te sporen dat onze urine geel maakt. De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoek dat op 3 januari in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurmicrobiologie.
[Related: Renaissance-era doctors used to taste their patients’ pee.]
Volgens co-auteur en microbioloog Brantley Hall van de Universiteit van Maryland bouwde het team voort op decennia van onderzoek dat teruggaat tot de jaren zestig en een moeizaam laboratoriumexperiment van drie en een half jaar om te ontdekken dat een enzym in de darmen microbioom, Bilirubine Reductase, is verantwoordelijk voor de kleur van urine.
“Het darmmicrobioom zit simpelweg vol met geweldige chemici. Het is zo belangrijk voor de menselijke fysiologie, al deze moleculen die gemaakt worden door darmmicroben”, zegt Hall PopSci. “Naarmate we de microbiële chemie in onze darmen beter begrijpen, zullen we belangrijke dingen begrijpen. Maar de eerste stap voor dit alles is het ontdekken van de enzymen die hiervoor verantwoordelijk zijn. Als je niet weet wat er aan de hand is, kun je eigenlijk niet eens beginnen met onderzoek.”
Het microbiële mysterie oplossen
Eerder wisten wetenschappers dat de gele kleur afkomstig is van de manier waarop het lichaam oude bloedcellen verwijdert. Rode bloedcellen bereiken gewoonlijk na ongeveer 120 dagen het einde van hun levenscyclus en worden in de lever afgebroken. Een bijproduct van dit proces, bilirubine genaamd, is een feloranje stof die vanuit de lever in de darmen wordt uitgescheiden. Bacteriën die in de darmen leven, zetten het bilirubine vervolgens om in een kleurloze substantie die urobilinogeen wordt genoemd. Urobilinogeen wordt uiteindelijk afgebroken tot een geel pigmentmolecuul, urobiline genaamd, dat een rol speelt bij de kleuring. Wat wetenschappers niet wisten, was welk bacterieel enzym daarvoor verantwoordelijk was.
De identificatie van dit enzym is om twee belangrijke redenen lange tijd een microbieel mysterie geweest. Volgens Brantley is de eerste uitdaging dat het kweken van anaërobe microben van oudsher erg moeilijk en duur is om in het laboratorium uit te voeren.
“Microben die deze functie vervullen, kunnen niet leven met zuurstof uit de lucht. Ze sterven binnen enkele minuten of seconden”, zegt Hall. “En ze worden zeker nooit volwassen.”
Brantley en zijn team konden profiteren van de wetenschappelijke vooruitgang die de afgelopen vijftien jaar is geboekt bij het kweken van deze microben die overleven en gedijen zonder zuurstof.
Een andere uitdaging is het ontbreken van genoomsequenties van het darmmicrobioom. Recente verbeteringen in de genetische sequencing zorgden ervoor dat het team meer sequenties beschikbaar had om te bestuderen om te zien hoe de microben in de darmen functioneerden.
“In ons geval identificeerden we microben die het bilirubine verlaagden en microben die dat niet deden. En daarna hebben we een vergelijkende genomische analyse uitgevoerd tussen de twee en geïdentificeerde kandidaat-genen”, zegt Hall.
In het darmmicrobioom
In de studie vergeleek het team de genomen van de exacte soort menselijke darmbacteriën die bilirubine in urobilinogeen omzetten met de soort darmbacteriën die dat niet kunnen. Dit hielp hen het specifieke gen te identificeren dat codeert voor bilirubinereductase. Toen gebruikten ze Escherichia coli (E coli) om te testen of dit enzym bij hem, evenals bij andere darmbacteriën, bilirubine kan omzetten in urobilinogeen.
Na te hebben gezocht naar dit gen in alle bekende bacteriesoorten, ontdekte het team dat het enzym voornamelijk wordt geproduceerd door een soort die behoort tot een grote groep bacteriën die het darmmicrobioom domineren, genaamd Firmicutes. Na het genetisch screenen van de darmmicrobiomen van meer dan 1.000 volwassenen om het urinekleuringsgen te vinden, ontdekten ze dat 99,9 procent van de mensen darmbacteriën heeft die het gen voor bilirubinereductase dragen.
[Related: Bees make more friends when they’re full of healthy gut bacteria.]
“Ik denk dat de grootste verrassing voor mij is hoe wijdverspreid dit kenmerk is bij volwassenen”, zegt Hall. “In principe is de urine van iedereen geel en de ontlasting bruin, dus we wisten dat er microben moesten zijn die dit deden. Er zijn niet echt veel microben die dat doen, en ze komen in principe bij iedereen voor.”
Potentiële medische toepassingen
In de studie werd ook gekeken of dit gen aanwezig was bij volwassenen met inflammatoire darmziekten (IBD) en zuigelingen met geelzucht. Slechts ongeveer 68 procent van degenen met IBD had het gen, en ongeveer 40 procent van de baby’s jonger dan drie maanden had een verhoogd risico op geelzucht. Hoewel er meer onderzoek nodig is, kan het identificeren van welke van deze enzymen en genen kunnen helpen bij het ontwikkelen van betere behandelingen voor IBD, geelzucht en zelfs galstenen.
“Mensen zijn zo enthousiast over de darmgezondheid, en ik vind het gewoon leuk om met mensen over de darmgezondheid te praten”, zegt Hall. “Iedereen heeft of kent iemand met een darmprobleem en ik denk dat er een enorme kans is om het microbioom en de gezondheid van de menselijke darmen echt op een positieve manier te moduleren.”