EN / DA
Miljø og bæredygtighed

Bakterier bruger parasitisk våben mod mennesker

Der findes flere bakterieceller end menneskeceller i menneskekroppen. Alene i tarmsystemet bor der 500-1.000 forskellige bakteriearter, og som mennesker både kæmper og deler de med hinanden – blandt andet resistensgener mod antibiotika. Danske forskere har i bakterier fra en babys tarmflora fundet et parasitisk genetisk element, som har overlevet i forskellige bakterier siden 1974 – uden nogen åbenlys grund.

For 10 år siden fandt et svensk forskerhold noget foruroligende og opsigtsvækkende i en babys tarmflora. Babyen havde fået behandling mod en bakteriel infektion, men det var ikke nok med, at forskerne kunne måle, at bakterierne delte resistensgener med hinanden i barnets tarm; videre genetisk analyse afslørede også, at bakterierne bar rundt på en massiv genetisk rygsæk, som de kan trække på, når de forårsager infektioner. Siden da har sekvensdata fra forskere verden over gjort det muligt at undersøge bakteriers ’deleøkonomi’, for hvis man forstår den, kan man måske også sætte en stopper for spredningen af bl.a. antibioitikaresistens og virulensfaktorer iblandt sygdomsfremkaldende bakterier.

”Tarmfloraen har vist sig at være et væsentligt reservoir for det her flow af gener mellem forskellige bakterier, og det er derfor et perfekt sted at studere, hvordan fx antibiotikaresistens spredes. Da vi kiggede nærmere, fandt vi, at bakterierne isoleret over hele verden tilsyneladende har delt nogle helt bestemte gener i over 40 år. Det tyder på, at nogle gener er væsentlige for deres evne til fx at forårsage sygdom, men vi forstår ikke, hvorfor og hvordan de overlever og spredes i miljøer som vores tarmflora, hvor de ikke umiddelbart har nogen fordel for bakteriernes overlevelse,” forklarer en af studiets hovedforfattere, postdoc Andreas Porse fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability.

Kun vigtigt, når bakterierne angriber

Forskerne studerede netop tarmprøverne fra den svenske baby, der den første måned af sit liv var ramt af en hårdnakket bakterieinfektion. Prøverne er særlig interessante, fordi det er sjældent at finde prøver, hvor man kan følge fx antibiotikaresistens, mens den opstår i en ny bakterie, og designe eksperimenter, der kan forklare, hvorfor nogle gener spredes bedre end andre.

”Bakterierne udveksler de her gener på små cirkulære DNA-stykker – plasmider – hvilket ikke kun gør det nemt for bakterierne at få fat i generne, men også at skille sig af med dem igen. Derfor vil man umiddelbart forvente, at bakterier skiller sig af med generne, så snart de ikke har brug for dem.”

I tilfældet med den svenske baby var der ikke brug for et resistensgen mod et antibiotikum, når lægerne holdt op med at behandle med det. Men det var kun den ene af bakteriestammerne, som skilte sig af med genet i løbet af det år, studiet varede. Måske endnu mere overraskende observerede forskerne i det nye studie, at overførte gener, som udgør en betydelig del af bakteriernes genom, kan overleve, selvom det udgør en byrde for bakterierne.

”Da vi screenede bakterierne for andre interessante plasmider, fandt vi flere, fx et stort plasmid, der koder for en virulensfaktor. Vores hypotese var, at disse faktorer også er vigtige i tarmkolonisering, men dette kunne vi ikke påvise. Det er altså tilsyneladende kun vigtigt, når bakterierne angriber. Så snart en bakterie har fundet fodfæste i tarmen, burde plasmidet altså være overflødigt. Alligevel beholdt bakterierne plasmidet i mindst et år.”

Hemmeligt våben i rygsækken

Med udgangspunkt i dette resultat er den umiddelbare konklusion vedrørende virulens-plasmidet, at bakterierne beholder det, fordi det er vigtigt, når de inficerer. Men langt størstedelen af bakterierne lever et fredeligt liv i tarmen på raske mennesker og giver kun sjældent problemer. Alligevel kan plasmidet spores til forskellige, men lignende bakterier isoleret fra patienter verden over helt tilbage fra 1974. Selvom forskerne ikke helt kan afvise, at genet spiller en endnu ukendt rolle i bakteriernes almene overlevelse uden for menneskekroppen, hælder de alligevel til en lidt anden forklaring.

”Det taler for, at plasmidet er en slags parasit, som har meget effektive molekylære mekanismer til at holde det stabilt, selvom bakterien måske ikke ønsker at bære rundt på det. Så den forklaring, vi hælder til, er, at plasmidet er så godt tilpasset til disse bakterier, at de ikke kan slippe af med det, og dem, der evt. har tabt det, vil blive udkonkurreret i infektionsscenarier. Derfor beholder bakterierne det, selv om de kun sjældent bruger det. Så de bærer åbenbart, mere eller mindre frivilligt, rundt på et lille hemmeligt våben i deres rygsæk, som de kan tage frem, når de skal angribe. Man kan altså diskutere, om det er plasmidet, som hjælper bakterien, eller den anden vej rundt.”

Selv om forskerne ikke til fulde forstår bakteriernes hemmelige våben, er der alligevel ny vigtig viden at hente i det nye studie. Det føjer nemlig væsentlig nyt til forsøget på at forstå, hvordan bakterier udveksler gener med hinanden, hvilket er en af de væsentligste faktorer i udbredelsen af antibiotikaresistens.

”Selv om bakterier kæmper mod hinanden, er der er ikke nogen tvivl om, at de også nyder rigtig godt af hinandens selskab, fordi de låner fx våben eller resistensgener af hinanden. Traditionelt har man opfattet bakterier som en mere defineret størrelse med nogle faste gener og egenskaber. Vores studie viser, at bakteriers genomer kan være enormt fleksible og konstant udskifter deres DNA. Hvis vi kan forstå den våbenudveksling, der foregår i bakteriedominerede miljøer som vores tarmsystem, og forudsige, hvilke elementer der er mest stabile over tid, kan vi måske også lære at forhindre den. Det kan være meget vigtig viden at have fx på hospitaler, eller når man udvikler nye antibiotika, hvor man gerne vil forhindre spredningen af resistens- og virulensgener,” slutter Andreas Porse.

Artiklen “Genome Dynamics of Escherichia coli during Antibiotic Treatment: Transfer, Loss, and Persistence of Genetic Elements In situ of the Infant Gut” er udgivet i Frontiers in Cellular Infection Microbiology. Artiklens hovedforfattere er ansat på The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability

Andreas Porse
Post.doc.
Investigating the ecology of endemic accessory genetic elements, in their pathogenic hosts and native environment, is of vital importance if we want to understand the evolution and persistence of highly virulent and drug resistant bacterial isolates. Elucidating the adaptive strategies and plasticity of bacterial genomes in situ is crucial for understanding the epidemiology and evolution of pathogens threatening human health. While much is known about the evolution of Escherichia coli in controlled laboratory environments, less effort has been made to elucidate the genome dynamics of E. coli in its native settings.