Har løst 50 år gammel bakteriegåte

For å få has på bakteriene som ødelegger maten vår, har forskere i over 50 år lett etter hva disse bakteriesporenes hårete overflate består av. Nå har forskere ved NMBU Veterinærhøgskolen løst gåten og funnet helt nye biologiske fibrer med unike egenskaper.

Problem for matindustrien og helsevesenet
Sykdomsfremkallende bakterier som tilhører Bacillus-arten, går inn i en sporetilstand ved å kapsle seg inn når forholdene er for dårlige til at de kan vokse. Da kan de overleve i tusenvis av år, og det er så godt som umulig å bli kvitt dem. De tåler koking, tørking, stråling og kjemikalier og i tillegg kleber de seg hardt fast til produksjonsutstyr og rørsystemer og er ekstremt vanskelige å fjerne.

De utgjør derfor et stort problem for både matindustrien og helsevesenet. Til og med romfartsindustrien sliter med disse sporene. De vil gjerne unngå å ta dem med seg når de besøker andre planeter, siden sporene også overlever kosmisk stråling. De ekstreme egenskapene til sporene gjør også at de blir brukt i som våpen i bioterror.

Ble oppdaget på 60-tallet
Men hva er det som gjør dem så motstandsdyktige og klebrige?

– For å finne ut av det, må vi vite hva de sporenes overflate består av, sier professor Marina Aspholm ved NMBU Veterinærhøgskolen.

Hun og kollegene har greid å løse gåten som forskere har grunnet på i over 50 år.

På 60-tallet ble det oppdaget at sporene har noen lange trådlignende strukturer på overflaten. Kanskje kunne de være årsaken til at sporene er så motstandsdyktige og klebrige? Men ingen har siden den gang greid å bryte ned strukturene og avdekke hva de består av, og hvilken funksjon de har.

Skjematisk fremstilling av et tverrsnitt av en Bacillus cereus-spore

Foto
Illustrasjon: Unni Lise Jonsmoen


Tung start
Det tok også tid før Aspholm fikk sitt gjennombrudd.

– Jeg var optimistisk i starten, og det var spennende å skulle prøve å finne svaret på noe folk har lurt på i så lang tid. Men det gikk trått. Vi prøvde å koke dem, løse dem opp med masse sterke kjemikalier, enzymer, syrer, baser, men ingenting bet på dem, sier Aspholm.

Det er svært uvanlig at en struktur er så motstandsdyktig, forklarer hun.

– Hvis man koker et protein eller tilsetter syre eller base, så faller det normalt sammen. Det er som å koke eggehvite. Det blir bare grøt. Men med disse trådene skjedde det ingenting.

Hjelp fra Belgia
Men så, etter over et år med prøving og feiling, var Aspholm på et seminar ved Universitetet i Oslo. Der var det en professor fra Vrije Universiteit Brussel som fortalte om en ny metode han brukte for å studere proteiner på bakterieoverflater uten å behøve å løse dem opp.

Aspholm fikk huket tak i professor Han Remaut etter presentasjonen og fortalte om sitt detektivarbeid med sporestrukturene, og vips hadde de innledet et samarbeid.

– Jeg tenkte at dette er sjansen vår. Og det tok bare en uke før han sendte oss de første bildene, sier Aspholm.

Helt ny metode
Metoden går ut på å fryse ned sporene til minus 190 grader og så zoome inn så mye at man kan lese aminosyresekvensene, som er proteinets bestanddeler og bestemmer proteinets egenskaper.

Fordelen med å fryse dem ned er at man ikke trenger å legge på farge, slik man må gjøre når man ser gjennom et vanlig elektronmikroskop. Og når det ikke er noen fargemolekyler som forstyrrer bildet, ser man strukturen akkurat slik den er. Når det er så kaldt, er bildet dessuten helt stille. Det er ingen molekylbevegelser som kan gjøre bildet uskarpt.

Så tar man hundrevis av bilder av proteinene, fra alle retninger, og et dataprogram sorterer bildene ut fra hvilken vei de ligger. Så legger man bildene oppå hverandre og lager et høyoppløselig 3D-bilde av proteinene.

– Når man har bilder av proteinene som ligger i alle retninger, kan man danne seg et bilde av hvordan de ser ut i 3D. Du kan tenke deg at du tar bilde av et hus fra alle retninger. Da kan du se for deg hvordan huset ser ut i 3D, forklarer Aspholm.

Oppdaget et nytt biologisk fenomen
Etter bare noen uker satt Aspholm og kollegene og studerte strukturene og aminosyresekvensene, og de fikk gjennombruddet sitt.

– Vi har oppdaget at disse trådlignende strukturene er noe helt unikt som vi aldri har sett i biologien før. Det er en helt ny måte å bygge opp et biologisk fiber på, og det er det som gjør dem så fleksible og ekstremt motstandsdyktige.

De har oppdaget en helt ny pilus-struktur. Pilus, eller pili i flertall, er hårlignende utvekster på bakterien, som er laget av et protein som heter pilin.

Et transmisjonselektronmikroskopibilde av en Bacillus cereus-spore. De lange trådene på sporeoverflaten hjelper sporene med å feste seg effektivt til overflater og hverandre og danne grunnlag for biofilm.

Foto
NMBU

Skallede mutanter
Ved hjelp av bildene fra Vrije Universiteit Brussel kan Aspholm og kollegene manipulere bakteriesporene.

– Vi har laget mutanter av sporene. Og når vi så slo ut de riktige proteinene, mistet sporene hårene, og vi satt igjen med skallede sporer. Så nå kan vi sammenligne hvordan sporer som ikke har disse trådene, oppfører seg sammenlignet med de sporene som har trådene. Og da kan vi finne vi funksjonen og egenskapene til trådene, forklarer Aspholm.

Og når de finner ut hvilke egenskaper trådene har, kan de finne ut av hva som gjør de så motstandsdyktige og hvordan vi kan ta knekken på dem.

Vil hjelpe meieriindustrien
Aspholm har nylig fått støtte fra Forskningsrådets ordning Banebrytende forskning (FRIPRO) for å forske på funksjonen til disse trådene. Les mer om det her.

Bakteriesporene er som sagt et problem innen mange bransjer, og Aspholm håper særlig de kan løse meieriindustriens store problemer med at bakteriesporene danner biofilm.

Biofilm er slimaktige nettverk av bakterier som kan dekke ulike typer overflater. Vi finner dem gjerne i sluket på badet eller på kjøkkenet. Når disse motstandsdyktige bakteriesporene klistrer seg til hverandre og lager svært motstandsdyktig biofilm i rør og produksjonsutstyr i en fabrikk, spres bakteriesporene til maten og ødelegger den.

– Vi har nå data som tyder på at disse trådene hjelper sporene med å feste seg til overflater og til hverandre, og slik kan de lage denne biofilmen. Når vi nå vet dette, kan vi begynne finne måter å angripe problemet på og hemme bakteriene i å binde seg til hverandre og til overflaten, sier Aspholm.

Brukes i sprøytemidler i landbruket
Forskerne har dessuten oppdaget at de ulike Bacillus-artene har sine egne varianter av trådstrukturene. For eksempel har bakteriene som fører til sykdom hos mennesker, andre strukturer enn de som dreper innsekter. Det er kunnskap som kan komme til nytte blant annet i landbruket.

Bascillus-bakeriene er mest kjent for å forringe mat og føre til matforgiftning, men noen av dem er også nyttige for oss. De brukes allerede som plantevernmidler, i stedet for kjemiske sprøytemidler, siden de kan andripe insekter og beskytte mot muggsopp.

– Når vi lærer mer om funksjonene til disse tråd-strukturene, vil det kanskje være mulig å modifisere trådene til å få egenskaper som vi ønsker oss. Når det gjelder plantevernmidler vil vi at de skal bli liggende på plantene så lenge som vi vil, at de skal være enkle å spre og at de er så spesifikke som mulig, slik at de kun angriper de insektene vi vil at de skal angripe, forklarer Aspholm.

Nye oppfinnelser?
Aspholm ser også for seg at kunnskapen om disse trådstrukturene kanskje også kan brukes til nye oppfinnelser.

– Vi samarbeider med Biofysik og Biofotonikgruppen ved Universitetet i Umeå, og ved hjelp av optiske pinsetter analyserer de sporefibrenes fysiske og mekaniske egenskaper. Kanskje kan denne kunnskapen gjøre at vi på sikt kan lage slike fibre som er like motstandsdyktige og fleksible som sporefibrene, og kanskje kan slike fibre brukes i stedet for plast. Jeg tror vi kan bruke denne kunnskapen til svært mye.

Relatert innhold
FRIPRO-støtte til forskning på motstandsdyktige bakteriesporer

FRIPRO-støtte til forskning på motstandsdyktige bakteriesporer

Årsaken til at de sykdomsfremkallende bakteriesporene av Bacillus-arten er så motstandsdyktige, har i lang tid vært en gåte. Nå er forskerne på sporet av svaret.

Bakteriene sover i årevis og kan våkne i maten din

Bakteriene sover i årevis og kan våkne i maten din

Sporedannende bakterier kan overleve i millioner av år og våkner til live i pastarestene og melkekartongen din. De fører til sykdom og enormt matsvinn. Nå håper forskerne at de nærmer seg svar på hva som kan gjøres for å bekjempe dem.

Published 7. september 2022 - 15:47 - Updated 20. september 2022 - 12:43