Forskere vil forstå og ødelægge bakteriers ‘usynlighedskappe’

'Kaptajnen for alle dødens mænd'.

Det meget sigende tilnavn fik bakterien Streptococcus pneumoniae, S. pneumoniae, for omkring et århundrede siden af den anerkendte, canadiske læge Sir William Osler.

Den dag i dag er pneumonia, det vil sige lungebetændelse, stadig den hyppigste årsag til dødsfald forårsaget af infektioner, og S. pneumoniae er den hyppigste årsag til disse infektioner. Nogle steder i verden er infektionerne så hyppige, at mere end 1 ud af 100 børn dør deraf.

Det er anslået, at omkring 1 million børn på verdensplan dør årligt som følge af en infektion med S. pneumoniae. Det gør dermed S. pneumoniae til den bakterie, som slår flest mennesker ihjel, og Sir William Oslers udtalelse er stadig sand den dag i dag.

Bakterien har en 'usynlighedskappe'

Ved at forstå de egenskaber, som gør bakterier i stand til at forårsage sygdomme (på fagsprog kaldes det deres virulensfaktorer), kan forskere udvikle målrettede bekæmpelsesstrategier, og i det seneste århundrede har forskningen inden for infektionsbiologi rykket sig meget.

Siden Sir William Oslers tid har forskere fundet ud af, at den vigtigste virulensfaktor for S. pneumoniae er en overfladestruktur kaldet 'kapslen'. Kapslen dækker hele bakteriens overflade, og den består af lange kæder af sukker (polysakkarider). Normalt genkender vores immunforsvar bakterier på bestemte overfladestrukturer, som er fremmede for kroppen.

Men for denne bakterie fungerer kapslen som en usynlighedskappe. Vores immunforsvar genkender ikke polysakkaridkæderne i kapslen som noget fremmed, og derfor kan bakterien bevæge sig frit i blodet og inficere forskellige organer, så længe den er dækket af sin kapsel.

Til gengæld er en S. pneumoniae, som ikke er i stand til at danne kapsel, fuldstændig ufarlig for os – det har talrige undersøgelser vist.

Usynlighedskappen tages af og på efter behov

Nyere forskning har vist en interessant detalje omkring kapslen: Nemlig at bakterien ikke kan krydse barrierer i vores krop (for eksempel fra næsen til blodet) uden kortvarigt at smide kapslen.

Bakterien skal altså både være i stand til at opbygge og smide sin usynlighedskappe under bestemte betingelser. Man ved, at kapslen dannes af en række enzymer og proteiner, som samlet set er indkodet i en gruppe gener kaldet cps-generne (hvor cps er en forkortelse af det engelske CaPSule).

I en nystartet forskningsgruppe ved Syddansk Universitet har vi derfor sat os for at kortlægge denne regulering. En række af vores projekter tager udgangspunkt i en ny metode, vi har designet, som gør os i stand til at bestemme, hvilke gener bakterien bruger til at regulere kapslen.

Et bibliotek af gen-kandidater

Ved at kombinere metoder, der allerede er veletablerede indenfor molekylærbiologi, er vi i stand til at anskue problemstillingen fra en endnu uafprøvet vinkel – og indtil videre har vi opnået særdeles lovende resultater.

Vores design indebærer overordnet fire elementer:

1. En metode til hurtigt at måle mængden af cps-proteiner i mange tusinde bakterieceller hver for sig.
2. Etablering af et bibliotek af bakterieceller, som hver især har fået 'deaktiveret' et enkelt gen i arvemassen. Det vil sige, at én bakteriecelle mangler gen A, mens en anden celle mangler gen B og så fremdeles for samtlige gener i arvemassen. Eller rettere: Samtlige gener, som ikke er essentielle for, at bakterien kan overleve.
3. En metode til at isolere celler, som har et ændret udtryk af cps-proteinerne i forhold til normale celler.
4. Identifikation af hvilke gener de isolerede celler mangler.

Med disse trin håber vi at kunne finde ud af, hvilke gener der er vigtige for, at cps-generne bliver udtrykt korrekt. Det første, vi undersøgte, var, hvordan udtrykket af cps-proteiner ser ud i en population af normale bakterieceller. Det viste sig, at alle bakteriecellerne udtrykker høje mængder af cps-proteiner under den vækstbetingelse, vi udsatte dem for i vores forsøg.

Da vi undersøgte biblioteket af celler, som hver især manglede et gen, under den samme betingelse, viste det sig, at 0,5 procent af populationen ikke udtrykte cps-generne. Det er efterfølgende lykkedes os at isolere disse celler og finde ud af, hvilke gener de isolerede celler mangler. Dermed har vi en liste af gener, som potentielt er involveret i at udtrykke cps-generne korrekt.

Nu arbejder vi derfor med at undersøge denne liste med gen-kandidater.

Kortlægningen er kun lige begyndt

Det er vigtigt at understrege, at selv med en sådan liste over gener, er der stadig lang vej, før man kan sige noget biologisk relevant om genernes funktion i forhold til, hvordan de udtrykker cps-proteiner.

Det første trin bliver at validere genernes effekt på udtrykket af proteinerne – altså at tjekke, om det er en reel effekt, vi observerer, eller om det eventuelt er en bieffekt, som er opstået under etableringen af biblioteket.

Det kan vi gøre ved at lave et målrettet design af bakterierne, hvor netop de mistænkte gener er gjort inaktive, i modsætning til den tilfældige inaktivering af gener, som er foretaget i forbindelse med etablering af bibliotektet.

Hvis genernes effekt på cps-udtrykket kan valideres, skal vi undersøge, hvordan genernes funktion passer ind i det regulatoriske netværk. Er det for eksempel et gen, som står for produktionen af et specifikt molekyle – og hvordan påvirker molekylet i givet fald cps-udtrykket? Er det et gen, der koder for et protein, som direkte kan binde cps-generne og ændre gen-udtrykket?

De forsøg, der skal laves fremadrettet, er derfor svære at spå om, for det afhænger meget af, hvilke resultater vi får. Vi kan dog være sikre på, at mange hypoteser skal testes, når vi har valideret de gener, vi vil undersøge.

Ødelæg kapslen og uskadeliggør bakterien

Når man arbejder med noget så komplekst og uudforsket som kapselreguleringen, forventer vi også, at det bliver en stor udfordring at kortlægge den. Vi har dog et rigtigt godt udgangpunkt, når vi ved, hvilke gener der er en del af kortet, og vi 'blot' skal finde deres plads herpå.

Den store interesse i at forstå, hvordan Streptococcus pneumoniae regulerer sin kapsel bunder selvfølgelig i, at vi med den viden også kan undersøge, hvordan vi forstyrrer reguleringen.

Hvis vi kan forstyrre eller ligefrem ødelægge kapslen, vil bakterien i praksis være uskadeliggjort.

Vores forskning har taget de første skridt på vejen mod dette ulimative mål, og vi glæder os til at se, hvor de næste trin bringer os hen.