Ny DNA-teknologi kan identificere bakterier på 30 minutter
En DNA-sekventeringsmaskine på størrelse med en Marsbar er ved at revolutionere, hvordan vi kan arbejde med bakterier. Det har stor betydning for danske biogas- og renseanlæg, skriver Rasmus Hansen Kirkegaard, der forsvarer ph.d. om samme emne i morgen.
bakterier marsbar maskine sekventering

Der findes både gode og dårlige bakterier. Og med en ny maskine kan man nu identificere bakterier på bare 30 minutter, hvilket blandt andet vil blive nyttigt inden for sundhedssektoren. (Foto: Shutterstock)

Bakterier er at finde alle steder i vores hverdag. De forbindes ofte med, at man kan blive inficeret og syg, men har i virkeligheden en lang række positive funktioner for os mennesker.

Historien kort
  • Bakterier hjælper med at fjerne kvælstof, fosfor m.v. på vores renseanlæg.
  • Den rette balance af bakterier er svær at finde, men et nyt DNA-sekventeringsapparat i lommeformat kan nu analysere bakteriesammensætningen på blot 30 minutter.
  • Dermed kan vi hurtigere justere på processerne, når bakteriebalancen er på vej i den gale retning.

De 'gode' bakterier udgør en væsentlig del af vores immunsystem og hjælper os med at fordøje maden, vi spiser. 

I tillæg bruger vi bakterier til mange industrielle processer som for eksempel fremstilling af oste, yoghurt, øl og medicin. Bakterierne er også ansvarlige for deres vigtige rolle, når vi biologisk fjerner næringsstoffer som kvælstof, fosfor og kulstofforbindelser i vores spildevand på renseanlæggene.  

Denne rensning er vigtig for at forhindre, at det slipper ud i vores vandmiljøer og skaber problemer som for eksempel algeopblomstringer og lugtgener.

Den rigtige bakteriesammensætning er essentiel

Det er væsentligt for alle disse processer, at man har en god sammensætning af bakterier. Får man en opblomstring af nogle skadevoldende bakterier i den biologiske reaktor, hvor man dyrker bakterierne, kan reaktoren blive 'syg', og renseprocesserne kan gå i stå.

Sker det, kan man blive tvunget til at lukke urenset vand ud i vores fjorde og åer.

Udover at rense vandet er bakterierne også med til at producere en afløser til fossilt brændsel i form af biogas. Kulstoffet i det biologiske affald fodres nemlig til en biogasreaktor, hvor forskellige typer af mikroorganismer i en form for samarbejde omdanner det til metangas, der kan bruges til at lave både elektricitet og varme i vores energisystem.

Med produktion af biogas kan renseanlæggene derfor gå over til også at være en slags små kraftværker. For at få det til at lykkes, er de dybt afhængige af at have den rigtige bakteriesammensætning. 

Det kan derfor være værdifuldt at holde øje med hvilke bakterier, der er tilstede og være klar med den rette behandling, hvis der skulle dukke nogle ‘dårlige’ bakterier op. 

DNA sekventering

Peter Rendbæk, specialestuderende ved Aalborg Universitet, forbereder en analyse af bakteriesammensætningen på renseanlægget i Aalborg. Foto: Martin Hjorth Andersen, AAU

 

Kender vi bakterierne, kender vi kuren

Når man går til lægen, vil man gerne vide, om den infektion, man har, kan bekæmpes med antibiotika, og i givet fald hvilke typer af antibiotika den er resistent overfor. Det kan være med til at sikre, at man ikke bruger penge på unødvendig medicin, der evt. kan være med til at udvikle resistente bakterier.

Tilsvarende gælder det for de store beholdere, hvori mikroorganismerne producerer biogassen eller renser vores spildevand.

Her er det meget dyrt at tilsætte kemi for at bekæmpe en bestemt bakterie, så der kan være mange penge at spare ved at vide, hvilken type bakterie der skaber problemer, og om det vil virke at tilsætte et givet kemikalie, eller man skal lade være.

DNA-sekventering i lommeformat

Ved hjælp af DNA-sekventering har det i nogle år været muligt at identificere bakterier, men det har været på store maskiner til flere millioner kroner, krævet ekspertuddannet personale at betjene og taget flere døgn at få et resultat.

Det har siden 2014 været ved at ændre sig med den rivende udvikling inden for DNA-sekventering, da firmaet Oxford Nanopore Technologies lancerede den første mobile  DNA-sekventeringsmaskine, der er på størrelse med en Marsbar og kan kobles op til en helt almindelig laptop. 

Metoden benytter sig af små huller i nanostørrelse til at bestemme DNA-sekvensen i enkelte molekyler, der bevæger sig igennem de såkaldte nanoporer. Vi skal ikke gå i detaljer med det her, men i videoen neden for får du en forklaring på, hvordan nanapore-teknologien fungerer.

I videoen kan du blive klogere på, hvad nanapore-teknologi er, og hvordan den virker. Videoen er på engelsk. (Video: Oxford Nanopore Technologies / Youtube)

Bakterier kan identificeres på stedet

Vi har ved Aalborg Universitet været med til at betateste maskinen, der nu er kommercielt tilgængelig og koster bare 1.000 dollar. Udover den meget fordelagtige prissætning byder den også på DNA-analyse i real tid, så man får informationen meget hurtigere end med de tidligere teknologier.

Det har åbnet dørene for at bruge DNA-sekventering som en slags 'sensor' til at måle bakteriesammensætningen løbende. Forskere verden over har derfor arbejdet med at bringe tiden fra prøvetagning til bakterieidentifikation ned på under 30 minutter.

Ph.d. -forsvar

Rasmus Hansen Kirkegaard forsvarer 28.2. fra 10-13 sin ph.d. med titlen ’ Identity and function of novel microbes in digesters’ på AAU.

I ph.d’en har han bl.a. undersøgt nye og ukarakteristiske mikroorganismer på danske renseanlæg med henblik på at forbedre de selvsamme renseanlæg.

Forsvaret er offentligt og foregår på engelsk

Det betyder, at man på sigt vil kunne identificere bakterien fra en infektion, inden man får udskrevet en recept på forkert eller unødvendig antibiotika.

For et industrianlæg, som for eksempel en biogasproducerende reaktor, kan det betyde, at man kan identificere, om de rigtige organismer er til stede og i de rigtige forhold, eller om noget er ved at gå skævt, og der skal trækkes i nogle håndtag eller doseres nogle kemikalier, inden problemet løber løbsk, og der opstår sygdom eller et kollaps af processerne.

Bedre viden om bakterier giver bedre renseanlæg

For at vi kan gribe tidligt ind, og dermed sikre bedre og mere stabile processer, er det essentielt at oparbejde en vidensbank om bakterier, der kobler den genetiske information i deres DNA og praktisk information om deres funktioner og mulige indsatsstrategier, så man kan identificere bakterierne, tolke resultaterne af DNA-analyserne og foretage den rette handling.

Vi har ved Aalborg Universitet været i gang med at indsamle viden omkring bakterier og deres funktion i relation til renseanlæg og biogasproduktion igennem en længere årrække og samlet det i en ‘håndbog’ om bakterier

biakterier mikriskopibillede

Mikroskopibillede af mikroorganismer involveret i biogasproduktion. De grønne organismer er de metanproducerende, de blå er generelle bakterier, og de røde er en ny art opdaget i forbindelse med Rasmus Hansen Kirkegaards ph.d. -projekt. (Foto: Simon J. McIlroy, AAU)

Desuden arbejder vi aktivt på at udvikle mobile løsninger til at hive DNA ud af cellerne på bakterierne i slammet fra renseanlæggene på bare 10 minutter, så det kan gøres på stedet frem for i laboratoriet.

Vi har analyseret artssammensætningen i en stor række af danske renseanlæg og biogasreaktorer gennem en årrække og påvist, at de dominerende organismer går igen over hele landet og er stabilt til stede over tid.  

Denne opdagelse er afgørende, da det gør det muligt at lære noget om bakterierne ét sted og anvende den samme viden et andet sted.

Vi har herefter arbejdet på at opdage nye bakterier, udbygge vidensdatabaserne med bakteriernes DNA (genomer), såvel som undersøge deres funktioner og interaktioner ved hjælp af avanceret mikroskopi, aktive gener med videre. Det giver os fremadrettet et katalog med DNA-referencer at sammenligne vores realtime DNA-målinger med.

Dermed får vi en bedre forståelse for de bakterier, vi i dag ved meget lidt, eller slet ingenting, om, og forhåbentlig kan vi så udvikle strategier til at køre renseanlæggene endnu bedre.

DNA-sekventering på mobilens app

Udviklingen inden for DNA-sekventering stopper selvfølgelig ikke her, men der kommer inden længe en udgave til mobilen, så du kan forvente at finde en DNA-sekventerings app i din app store inden for et par år.

Det gør DNA-information tilgængelig for alle og åbner døre for et væld af muligheder (og etiske dilemmaer). 

Man kan eksempelvis undersøge sig selv i hjemmet for genetiske sygdomme, kontrollere, om man har en sund tarmflora, identificere, om det er hestekød, der er på frysepizzaen, eller finde ud af, hvilken hund der har skidt på plænen.

Det er nærmest kun fantasien, der sætter grænser for, hvilke organismer man kan hive DNA ud fra.

bestil_en_forsker_banner_forskningens_doegn

Bestil en Forsker giver alle mulighed for gratis at få besøg af en forsker i uge 17, når Forskningens Døgn løber af stablen.

Hvis du vil bestille en forsker, skal du finde det foredrag, du gerne vil høre, i foredragskataloget på Forsk.dk.

Under hvert foredrag finder du mere information, og du kan se, hvilke dage det kan bookes.