Danskere revolutionerer forståelsen af bakterier

Mange bakterier kan overleve på et absolut minimum i selv giftige og ekstremt næringsfattige miljøer.

Eksempelvis kan nogle bakterier udvinde molekylære byggesten af pesticider og antibiotika, som for alle andre organismer er utilnærmelige eller deciderede giftige.

Mekanismen bag denne helt specielle evne til at trække noget brugbart ud af pesticider og antibiotika har forskere fra blandt andet Aarhus Universitet nu kortlagt.

Ifølge forskerne bag opdagelsen rummer den nye viden et kæmpe potentiale i at forstå, hvordan drivhusgassen metan bliver til, og opdagelsen kan også lede til bioteknologiske redskaber til at fjerne pesticidrester fra drikkevandet i blandt andet Danmark.

»Resultaterne vil revolutionere vores forståelse af en meget vigtig mekanisme i bakterier. Denne mekanisme er ansvarlig for en stor del af den naturlige udledning af drivhusgassen metan i atmosfæren, og mekanismen kan potentielt udvikles til, at vi kan udnytte den bioteknologisk til en masse forskellige formål,« forklarer lektor Ditlev Egeskov Brodersen fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik på Aarhus Universitet.

Det nye forskningsresultat er publiceret i det velansete videnskabelige tidsskrift Nature.

Forsker: Fascinerende

Professor Frank Rauschel fra Texas A&M University er en af verdens førende forskere i netop den proces, som bakterier bruget til at trække molekylære byggeklodser ud af de mest umulige steder.

Vi har derfor skrevet til ham for en kommentar til det nye studie.

Ifølge Frank Rauschel er det delvist danske studie fascinerende og illustrerer på bedste vis, hvordan forskellige proteiner kan gå sammen og udføre ekstraordinære kemiske reaktioner.

Professoren er også enig i, at den kortlagte mekanisme kan bruges til at forstå, hvordan bakterier kan omdanne forskellige stoffer til drivhusgassen metan.

»Enzymforskere kan bruge opdagelsen som en platform for videre undersøgelser af bakteriers omdannelse af svært omdannelige stoffer. Mekanismen er ikke særlig godt forstået på nuværende tidspunkt, men den nye opdagelse afslører flere forskellige aktive steder i et centralt protein, hvor kemiske processer kan foregå. Det bliver interessant at undersøge videre,« skriver Frank Rauschel i en mail til Videnskab.dk

Alle organismer skal bruge fosfat

Hele denne historie handler om grundstoffet fosfor, bundet i molekylet fosfat.

Fosfat er et af de vigtigste biologiske molekyler, idet cellemembraner og rygraden i DNA’et indeholder store mængder fosfat.

Alle organismer bruge fosfat for at leve og vokse. Det gælder både hveden på marken og bakterien på havets bund. Det gælder også os mennesker

Da alle organismer skal bruge fosfat, betyder det også, at ikke særlig meget af stoffet er tilgængeligt. Hvis det findes i miljøet, kommer nogen og samler det op.

Hveden på marken får ganske vist en frisk forsyning et par gange om året, når bondemanden spreder lidt gødning, men for bakterien på bunden af havet er det en anden sag.

De ekstremt fosfatfattige betingelser i eksempelvis havet har gjort, at bakterier har været nødsaget til at gå nye veje for at få deres fosfat-fix.

Genialt protein kan lave speciel kemi

For at overleve i de fosfatfattige omgivelser, der eksempelvis er på bunden af havet, har evolutionen givet bakterierne et komplekst system af 14 proteiner, der i samspil gør bakterierne i stand til at trække fosfat fra steder, hvor det er utilgængeligt for andre organismer.

Specifikt drejer det sig om, at bakterierne kan trække fosfat ud af fosfonatforbindelser, hvilket blandt andet inkluderer pesticider (RoundUp består af fosfonatforbindelsen glyphosat), nogle antibiotika og methylfosfonat, der blandt andet findes i verdenshavene.

»Det er ikke noget, som organismer normalt kan. Vi er på kanten eller lige ud over kanten af den biologiske kemi her, hvilket gør det ekstremt spændende,« siger Ditlev Egeskov Brodersen.

Bakterier bidrager til global opvarmning

Alligevel findes denne helt specielle mekanisme i mange bakterier af typen Gram negativ, hvilket også inkluderer colibakterier.

Mange af disse bakterier møder ikke under normale omstændigheder pesticidrester, men hvis pesticidresterne er der, kan bakterierne nedbryde dem.

I havet møder bakterierne ofte stoffet methylfosfonat, der lige som pesticidrester er en meget svært nedbrydelig fosfonatforbindelse.

Når bakterierne nedbryder methylfosfonat, udleder de drivhusgassen metan.

»Ved at forstå, hvordan bakterierne nedbryder methylfosfonat til metan, kan vi få en bedre indsigt i bakteriernes bidrag til den samlede mængde drivhusgasser i atmosfæren,« siger Ditlev Egeskov Brodersen.

Studerede kompleks med røntgenstråling

Hidtil har man kendt meget lidt til opbygningen af de 14 proteiner, men det har forskerne bag det nye studie lavet om på.

Det har forskerne gjort ved blandt andet at studere et centralt kernekompleks af 8 til 9 proteiner med elektronmikroskopi og røntgenkrystallografi.

Undersøgelsen har givet forskerne en indsigt i, hvordan proteinerne fungerer og er placeret i forhold til hinanden.

»Vi kan nu for første gang se, hvordan dette ekstremt interessante proteinkompleks fungerer. Derfor kan vi også begynde at forstå, hvordan bakterierne kan overleve, som de gør. Der ligger også nogle interessante muligheder i at udnytte dette kompleks’ funktion bioteknologisk til eksempelvis at få bakterier til at fjerne pesticidrester fra drikkevand, da funktionen ligger i dette molekyle,« siger Ditlev Egeskov Brodersen.

Ditlev Egeskov Brodersen forestiller sig i den sammenhæng, at man kan lave bakterier, som hele tiden har protein-komplekset tændt, og derfor hele tiden omdanner pesticidrester i omgivelserne til ufarlige stoffer.

Sådanne bakterier kunne indgå i processen omkring vandrensning, mener forskeren.