Danske og internationale forskere har lavet et helhedsbillede med hidtil uhørt detaljegrad af bakterien Bacillus subtilis tilpasning til omgivelserne. Resultatet er opnået på baggrund af et nyskabende sæt værktøjer, der hæver standarden for, hvordan forskning i bakterier kan udføres i fremtiden.
Den opsigtsvækkende forskning er netop offentliggjort i to artikler i det meget velansete videnskabelige tidsskrift Science.
»Det er ikke i sig selv resultatet af vores forskning, der er interessant, men derimod metoden vi har benyttet for at opnå resultaterne. Vi har udviklet en værktøjskasse af teknikker og matematiske modeller, som både forskere og industrien kan bruge til at øge deres viden om bakterier,« fortæller adjunkt Simon Rasmussen fra DTU Systembiologi, der sammen med kollega lektor Hanne Østergaard Jarmer har stået for det danske bidrag til den nye forskning i det EU-støttede BaSysBio-projekt
Den nye forskning er kommet i hus i et samarbejde mellem 16 danske, australske, franske, tyske, irske, hollandske, engelske og schweiziske forsknings-grupper. EU-projektet bærer titlen BaSysBio.
Bacillus subtilis bruges traditionelt som modelorganisme for gram positive bakterier. Den bruges også i industrien til at producere enzymer, og så er den tæt beslægtet med miltbrand-bakterien Bacillus anthracis.
Det internationale forskerhold ønskede at skabe et helhedsbillede af alle processer inde i Bacillus subtilis, når den skulle tilpasse sig et nyt miljø. Derfor undersøgte de, hvordan bakterien reagerede, når de flyttede den fra én energikilde og gav den et valg mellem to energikilder.
Bakteriens valg kommer til udtryk som en igangsættelse af en masse komplekse processer inde i cellen, og det er dem, som forskerne nu har kortlagt ned til mindste detalje.
Ordforklaring:
Malat – Bacillus subtilis foretrukne energikilde, der udsendes af planterødder.
Promotor - DNA-sekvens, der bestemmer om et gen skal udtrykkes eller ej.
Transkript – Den del af DNA, der bliver oversat til RNA, som instruerer cellen i, hvilke proteiner der skal bygges.
Metabolit – Cellulært nedbrydningsprodukt fra eksempelvis sukkerstoffet glukose.
»Systembiologi, som vi arbejder med, går ud på at kigge på alle involverede processer frem for bare at kigge på nogle enkelte elementer. Tidligere har man eksempelvis kigget på en lille skare af generne, men vi har kigget på dem alle sammen.«
»Vores nyudviklede metoder kan bruges til at kigge på alle former for bakteriers tilpasning til et givent miljø. Det gælder både tilpasning til energikilder, men også tilpasning til menneskekroppens immunforsvar for sygdomsfremkaldende bakterier. Ved at forstå, hvordan bakterier tilpasser sig til os, kan vi i fremtiden bedre udvikle medicin til at bekæmpe dem med,« siger Simon Rasmussen.
En bakterie, der skal tilpasse sig en ny energikilde eller et nyt miljø, skal også tilpasse, hvilke gener den anvender i den nye situation. Når forskerne skiftede bakteriens energikilde fra glukose til malat og omvendt, krævede det derfor, at udtrykket af op mod 2000 gener blev kontrolleret præcist inde i bakteriecellen.
For at undersøge hvordan bakterier reagerede på et ændret miljø, placerede forskerne bakterierne i malat eller glukose. Herefter skiftede de bakterierne over i en blanding af både malat og glukose. Dermed kunne forskerne undersøge, hvordan de metabolske processer indstillede sig på, at bakterien pludselig skulle træffe et valg mellem to forskellige energikilder.
Kontrollen af genudtrykket foregår ved, at bakterien skruer op og ned for forskellige promotorer, der styrer transkripternes niveauer (se faktaboks med ordliste til højre).
Det internationale forskerhold var derfor nødsaget til at kortlægge bakteriens orkestrering af de cellulære promotorer, transkripter, metabolitter (se faktaboks) og proteiner for at skabe det fuldendte billede.
»Selve det at skulle vælge mellem malat og glukose er umiddelbart ret simpelt. Men for at måle på alle de involverede processer i bakteriens valg var vi nødt til at udvikle helt nye teknikker og matematiske beregningsmodeller. Her fandt vi blandt andet ud af, at det er nogle meget forskellige processer, der er involveret i overgangen fra glukose til malat i forhold til overgangen fra malat til glukose,« fortæller Simon Rasmussen.
Bakterier opdeles i gram positive og gram negative efter den danske læge Hans Christian Joachim Gram, der som den første opdagede forskelligheden. De to bakterietyper adskiller sig morfologisk ved blandt andet at have forskellig opbygning af cellevæggen.
For gram positive bakterier benyttes Bacillus subtilis som modelbakterie, mens Escherichia coli benyttes for de gram negative.
Simon Rasmussen og Hanne Østergaard Jarmens bidrag til forskningen har været at designe og optimere nogle genchips, så de kunne bruges til at undersøge aktiviteten af transkripterne.
Perspektiverne i den nye forskning er store. Eksempelvis kan de nye værktøjer give industrien bedre mulighed for at optimere væksten af bakterier i for eksempel enzymproduktion. For enzymproducerende virksomheder, der laver enzymer til eksempelvis vaskepulver, kan en vækstforøgelse på blot én procent give en stor økonomisk gevinst.
Også andre forskningsprojekter er sat i søen med hjælp fra de nye værktøjer. Sideløbende med BaSysBio har andre forskere brugt samme teknikker til at lave en kortlægning af den frygtede hospitalsbakterie MRSA (Multiresistent Staphylococcus aureus), men også miltbrandbakterien Bacillus anthracis er under luppen. Endnu er disse bakterier ikke undersøgt til bunds på samme måde som Bacillus subtilis, men på sigt kan en dybere indsigt i bakteriernes funktioner lede til effektiv behandling af de sygdomme de giver.
»Vores mål med forskningen var at lave et redskab, som andre forskere kunne bruge til at få en bedre viden om bakterier. Derfor har vi også lavet forskning på et uhørt højt plan med hensyn til datapræcision. Sideløbende med vores forskning har vi også lagt vores resultater op på en hjemmeside og gjort dem lettilgængelige og forståelige for andre,« fortæller Simon Rasmussen.
Du kan læse mere om BaSysBio-projektet og de nyudviklede teknikker på basysbio.eu.
