EN / DA
Sygdom og behandling

Virus hjælper mennesker i kampen mod bakterier

Mennesket befinder sig i en konstant kamp med mikroorganismer i dets omgivende miljø. Vi når knap at udvikle et antibiotikum, før bakterierne går i gang med at udvikle resistens. Men en tilsvarende kamp sker faktisk også imellem mikroorganismer som bakterier og virus og nu har forskere afluret, hvordan virus undslipper de bakterielignende archaea’s immunsystem. Forskningen åbner for nye muligheder for at bekæmpe resistente bakteriestammer i fremtiden.

Når vi rammes af influenza eller forkølelse, går vores immunsystem straks i gang med at gennemsøge arkiverne over tidligere angreb af tilsvarende patogene mikroorganismer. På samme måde gemmer bakterier i deres immunsystem information om fjender, som fx virus, de tidligere har mødt. Helt parallelt udvikler virus modtræk til at undvige bakteriernes immunsystem. Danske forskere har nu for første gang fundet et sådant virus-modtræk i en gruppe enkeltcellede organismer kaldet archaea.

”Archaea indeholder næsten alle sammen såkaldte CRISPR-Cas-systemer, der gør dem i stand til at huske og eliminere virus, de tidligere har mødt. Alligevel fandt vi virus, der var i stand til at undvige archaea’s CRISPR-våben, men da vi fjernede CRISPR-våbnet, lagde virus også våbnene fra sig. På den måde fandt vi frem til, hvordan virus vinder den kamp. Den viden kan vi bruge til at udvikle nye alternative metoder til at bekæmpe multiresistente bakterier, fx ved såkaldt bakteriofagterapi, hvor man bruger bakterielle virus til at bekæmpe bakterierne,” forklarer en af studiets hovedforfattere, lektor Xu Peng fra Københavns Universitet.

Anti-CRISPR

Forskerne har i årevis studeret de såkaldte archaea. Da man oprindeligt fandt archaea tilbage i 1970’erne, kaldte man dem arkebakterier, men i dag ved vi, at de adskiller sig markant fra andre bakterier og at deres celler på mange måder minder mere om eukaryoter som fx. dyrceller. Det faktum, samt det at de lever i ekstreme miljøer, i gejsere og under iskapper, gør dem utrolig interessante at studere.

”Ligesom bakterier er archaea i konstant kamp mod arkevirus. Og i endnu højere grad end bakterierne har archaea et adaptivt immunsystem – CRISPR – der hjælper dem med at vinde denne kamp. Det er bare aldrig lykkedes at finde ud af, hvordan arkevirus alligevel kan overleve kampen mod archaea. Vi havde dog en mistanke om, at det måtte ske ved hjælp af et eller andet form for protein, der kan blokere CRISPR.”

90% af alle archaea har et CRISPR-Cas-immunsystem, der beskytter dem mod virusangreb. Det fungerer ved, at archaea ved hjælp af Cas-enzymet klipper og gemmer små bidder af DNA fra virus, der tidligere har angrebet. Når virus så angriber igen, kan systemet genkende den fremmede virus og derefter sætte Cas-enzymet til at klippe virus-DNA i stykker. Virus har dog udviklet smarte veje til at undgå den kranke skæbne.

”Vi har fundet et anti-CRISPR-protein, AcrID1, der er i stand til at blokere ét af archaea’s CRISPR-systemer. Det betyder altså, at selv om archaea stadig genkender virus, så kan de ikke eliminere dem. Præcis på hvilken måde proteinet blokerer på, ved vi ikke endnu. Det kan enten være, at AcrID1-proteinet forhindrer, at CRISPR binder sig til virusgenomet – eller det kan være, at det simpelthen forhindrer, at Cas-enzymet klipper virus-DNA’et i stykker.

Vi skal aflure virus’ trick

Rent videnskabeligt er de nye fund meget vigtige for vores forståelse af, hvordan CRISPR virker, men også anvendelsesmæssigt kan forskningen vise sig at være særdeles betydningsfuld. CRISPR-Cas-systemet bliver nemlig allerede i dag brugt som et effektivt genteknologisk værktøj på grund af systemets evne til at klippe helt specifikke gensekvenser. Med fundet af anti-CRISPR-proteiner i virus har man nu muligvis fundet en vigtig tænd/sluk-knap.

”De nye anti-CRISPR-proteiner kan vise sig at være utrolig vigtige, fordi vi i dag kun har ganske få effektive metoder at slukke for det meget effektive genteknologiske værktøj, CRISPR. Det ser ud til, at de her proteiner kan vise sig at være langt mere effektive til det formål end de hidtidige.”

Også behandlingsmæssigt vil den nye viden kunne bruges i den stadigt mere alvorlige kamp mod de multiresistente bakterier. Fx afprøver man i disse år på forsøgsbasis såkaldt bakteriofagterapi i behandlingen af hårdnakkede bakterier. Her udnytter man virus’ evne til at angribe bakterierne, da anti-CRISPR-proteiner vil kunne styrke virus’ evne til at udmanøvrere multiresistente bakterier.

”En nøgle til at løse det problem er at kende bakterierne så godt som muligt, såvel deres styrker som deres svagheder. Studiet giver et væsentligt indblik i, hvordan man kan omgå bakteriernes ellers effektive forsvar. Hvis vi kan aflure virus’ trick, kan vi måske svække bakterierne nok til, at de dør – eller vi kan stresse deres immunsystem nok til, at de bliver mere modtagelige for allerede eksisterende metoder,” forklarer medforfatter på artiklen, lektor Ditlev Egeskov Brodersen fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik ved Aarhus Universitet.

Vejen ud af multiresistenskrisen

Netop det at forstå de fundamentale molekylære mekanismer, der ligger til grund for bakteriers overlevelsesmekanismer, er fokus for Ditlev Egeskov Brodersen og hans kollegaers indsats. Det gør de ved klarlægning af den tredimensionelle opbygning af de molekylære komponenter. Hvis man kan lære at forstå, hvordan mikroorganismer responderer på næringsmangel, antibiotika og andre ændringer i deres miljø, kan det udnyttes til udvikling af nye antimikrobielle lægemidler.

”Mikroorganismer er utrolig effektive til at tilpasse sig. Derfor bliver det her en konstant kamp mellem mennesker og bakterier, men på samme måde som mikroorganismerne tilpasser sig vores våben – altså immunsystemet og de antibiotika, vi bruger – så er vi tilsvarende nødt til at forstå dem og deres forsvar - i det her tilfælde deres CRISPR-immunsystemet.”

De seneste års forskning har netop afdækket, at bakterierne har et langt mere avanceret immunsystem end tidligere antaget. Det gælder såvel CRISPR-Cas som de såkaldte toxin-antitoxin-systemer, hvor en bakterie, når den udsættes for angreb af fx antibiotika, kan udløse en toxin, der nærmest lægger den i dvale. De indeholder samtidig modgiften, anti-toxinet, som de frigiver, når faren er drevet over.

”Det er en avanceret modstander, vi er oppe imod. Alene det seneste år har man identificeret 7 nye forsvarssystemer, der er placeret i omegnen af CRISPR-Cas på bakteriernes genomer. Det er jo på den ene side skræmmende. På den anden side øger det potentialet for at ramme bakterien på flere fronter. En kombination af våben er formentlig den mest effektive metode til at løse den multiresistens-krise, vi står i, hvor stadigt flere mennesker dør af bakterieinfektioner, der tidligere kunne behandles med antibiotika.”

Artiklen ”Anti-CRISPR proteins encoded by archaeal lytic viruses inhibit subtype I-D immunity” er udgivet i Nature Microbiology. Lektor Ditlev Egeskov Brodersen modtog i 2017 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Understanding the functional and evolutionary links between microbial CRISPR-Cas and toxin-antitoxin systems”.

Xu Peng
Associate professor
CRISPR virus-plasmid defence-regulatory system Almost all archaeal chromosomes and some conjugative plasmids contain one or more clusters of short regularly inter-spaced repeats (CRISPR) some of which constitute over 100 repeat-spacer units. These have been implicated in inhibiting propagation of viruses and plasmids in archaea (and in many bacteria) via an intermediate RNA mechanism (Tang et al., 2002; Tang et al., 2005; Mojica et al., 2005). Our laboratory has identified the protein which specifically binds to crenarchaeal repeats (Peng et al., 2003) and the processing products of the cluster-encoded transcripts from each DNA strand (Lillestøl et al., 2006). We are currently exploiting bioinformatic approaches (Vestergaard et al., 2008; Shah et al., 2008) and genetic experiments, to understand the dynamic interactions between chromosomal clusters and extra-chromosomal elements.
Ditlev Egeskov Brodersen
Associate Professor
Microbial survival mechanisms We are interested in uncovering fundamental, molecular mechanisms underlying central survival mechanisms in both bacteria and archaea with the aim of understanding how microorganisms respond to nutritional stress, antibiotics, and other changes in their environment. Knowledge of these mechanisms can be used to develop new antimicrobial drugs. We use classical biochemistry as well as hybrid methods in structural biology (x-ray crystallography, electron microscopy, and small-angle x-ray scattering) in our work. Current projects: 1) Mechanism of activation and activity of bacterial toxin-antitoxin systems (VapBC, RelBE, HicAB etc.), including the mechanism of RNA cleavage. 2) Understanding how phosphonate compounds are utilised as sources of phosphorous via the carbon-phosphorus lyase pathway in E. coli. 3)Understanding the interplay between toxin-antitoxin systems and CRISPR-Cas immunity in bacteria and archaea. 4)Regulation of (p)ppGpp synthesis and the effects of the alarmone during stress in bacteria.