Biologiske organismer kan være en vanskelig størrelse af studere, da de er under konstant forandring og udvikling. Det fik i 1976 en af grundlæggerne af molekylærbiologien, Jacques Monod, til at foreslå eksistensen af en faktor, der kunne forklare foranderligheden af de bakterier han studerede. Først 45 år er den fundet. Til gengæld forklarer fundet potentielt langt mere end blot en bestemt bakteries opførsel. Fundet kan fx være en hovedforklaring på, hvorfor det er så vanskeligt at studere kræft udenfor kroppen.
Det kan virke meningsløst at studere børns fysiologi, hvis det er voksne, man gerne vil vide noget om. Det er den samme udfordring mange forskere står med, når de studerer bakteriers vækst eller kræftcellers mekanismer. Cellerne dyrkes under forhold, hvor de er under vækst og deling, selvom det i virkeligheden ikke er deres normaltilstand. I stedet befinder de sig oftest i en steady state-tilstand, hvor de fysiologisk er helt anderledes end i vækst.
”Ved at undersøge bakteriers kulstofmetabolisme, fandt vi et molekyle hvis eksistens blev foreslået for over 40 år siden. Opdagelsen giver desuden et fingerpeg om mekanismen bag hyppigt observerede fænomener i både mikrobiel evolution og cancer. Nemlig at mutationer ofte klumper sig sammen i genetiske hotspots, og at effekten af disse mutationer kan være forbigående. Effekten forsvinder ofte igen, hvis vi dyrker celler under andre forhold end mutationerne er opstået ved. Det er vigtig viden, så vi kan studere fx kræftsygdomme under de rette forhold, men også når vi prøver at ændrer bakterier kunstigt, så de kan producere nye stoffer,” forklarer seniorforsker Morten H. H. Nørholm fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability på DTU.
Bakterier under pres
Det nye studie bygger ovenpå tidligere studier, hvor forskerne viste, hvordan bakterier tester nye mutationer af ved hjælp af en mekanisme, kaldet retromutagenese. Klassisk evolutionsteori bygger på, at små tilfældige fejl løbende opstår i vores DNA, hvorfor de videregives til kommende generationer. Bakterierne har dog udviklet en særlig mekanisme, hvor cellen oversætter de små DNA fejl til RNA og protein. Kun hvis det viser sig at være en fordelagtig ændring, bliver de fordelagtige ændringer bevaret i DNA og videregivet.
”Særlig i aldrende bakteriekulturer, hvor der kan være en mangel på energi- og fødekilder, er det en fordelagtig mekanisme, da bakterierne ikke har råd til at bevare forkerte mutationer.
For at finde ud af, hvad der sker i aldrende bakteriekulturer, undersøgte forskerne kulstofmetabolismen i E. coli-bakterier. Her havde de særlig fokus på Crp, der er en forkortelse for cAMP-receptorprotein - en såkaldt transkriptionsfaktor – molekyler der ved at binde til DNA-molekyler kan sikre, at de rigtige gener er udtrykt på de rigtige tidspunkter. Crp’s rolle er bl.a. at aktivere kulstofmetabolismen, men regulerer samtidig hundredvis af gener i bakterier.
”Crp er en af de første og bedst undersøgte transkriptionsfaktorer, men selv om den molekylærbiologiske pioner Jacques Monod allerede i 70erne var på jagt efter at forstå, hvordan den blev reguleret, opdager vi stadig nye detaljer. Vi fandt ud af, at når E. coli sulter og ældes, så opstår der nye mutationer i netop Crp. Mere specifikt opstår mutationerne, når stoffet cytidin over tid ophobes. Det sætter bakterierne under pres og skaber mutationer i Crp for at redde livet. Cytidin er altså den modulatorfaktor, som Monod søgte efter.”
Lægger ny overlevelsesstrategi
Det nye studium giver også spor til et andet uløst mysterium i levende celler. Cytidin er nemlig ikke et tilfældigt stof, men derimod en variant af en af de fire berømte baser i DNA - adenin, thymin, guanin og cytosin – men i modsætning til de tre andre, som kroppen godt kan lave selv, så kan cytosin kun fremstilles, med udgangspunkt i en af baserne i RNA – uracil.
”C’erne i DNA syntetiseres på en meget mærkelig måde. Levende celler kan ikke udfra det grundlæggende stofskifte fremstille cytidin, cytosin eller de fosforylerede versioner CMP og CDP, som skal bruges til at opbygge DNA. I stedet bliver C'erne dannet når RNA nedbrydes. CTP bliver dannet fra UTP og indbygges derefter i RNA. Med andre ord har du brug for RNA for at lave DNA. Hvorfor? Vores arbejde peger på, at cytidin ikke kun fungerer som en byggesten i DNA og RNA, men også som et vigtigt stresssignal i kroppen.”
Cytidin dukker altså op i det næringsfattige medium, hvor cellerne sættes under pres og derfor må lægge ny overlevelsesstrategi. Efter forskerne havde fået bakterierne til at ældes og mutere i det næringsfattige og cytidinrige miljø, satte de bakterierne på frisk vækstmedium for at se, hvad der skete.
”Når mutanterne gendyrkes med friske næringsstoffer, falder cytidinniveauerne, og derved effekten af Crp-mutationerne. Det skaber endnu flere mutationer i Crp. Nu er det pludselig mutationer der giver cytidin-uafhængighed, der bliver fordelagtige. Stofskiftet er her nøglen til at forstå generering af mange mutationer i det samme gen.
Kræftceller opfører sig anderledes
De nye eksperimenter er ifølge forskerne ”en forsigtig fortælling om, at mutationer bør studeres i præcis det miljø, de stammer fra”. I erkendelse af det faktum, har forskerne taget særlige metoder i brug, nemlig robotter, der meget nøjagtigt kan følge væksten af bakteriekulturer på agarplader. Noget som de nye studier har gjort det klokkeklart for forskerne er nødvendigt.
”Robotterne hjælper os med at holde øje med, præcis hvornår der opstår bestemte typer af interessante mutationer.”
Som eksempel nævner Morten H. H. Nørholm, at netop kræftceller typisk er celler, der er ældet under forhold hvor særlige mutationer er opstået. Derfor må man også forvente at kræftcellerne opfører sig anderledes og nye mutationer kan opstå, hvis de fx dyrkes på et nyt og næringsfyldt medium. De fleste biologiske processer foregår nemlig ikke i vækst men i steady state, hvor der er kamp om næring.
”Hvis vi ikke har styr på, hvordan vi dyrker celler i laboratoriet, risikerer vi at studere forkerte mekanismer og finde forkerte måder at bekæmpe kræft. Det samme gælder, når vi fx frembringer bestemte ændringer i mikroorganismer, så de kan tåle et bestemt stof eller udføre en proces. Når bakterierne dyrkes under andre forhold som fx i store produktionstanke, er der en risiko for, at de muterer eller fungerer anderledes end i kolben på laboratoriebænken.”
