Bakterielle biofilm rejser spørgsmål om livets oprindelse

Videnskabelige nybrud 25. mar 2021 3 min Senior Research Associate Tomislav Domazet-Lošo Skrevet af Morten Busch

Teorier om livets opståen beretter, at det hele startede med én celle, som blev til flere og stadig mere avancerede organismer. Nye analyser af det avancerede samarbejde mellem bakterier i biofilm og den tidlige udvikling af deres gen- og proteinudtryk peger på biofilmlignende strukturer som et godt bud på, hvordan det første liv har kunnet overleve de barske fysiske forhold. Forskerne bag mener, at bakteriernes samarbejdsmønstre bør få os til at se markant anderledes på behandlingen af infektioner i fremtiden.

Hvad enten livet, som teorien siger, er opstået ved en glohed vulkansk kilde eller ved et af havets oceaniske hydrotermiske kildevæld, så er der blandt forskere enighed om, at det var barske forhold. Spørgsmålet er derfor, hvordan en enkelt lille, nydannet celle skulle overleve de forhold. Hvis man spørger forskerne bag et nyt studie af biofilm, så er svaret, at det gjorde den formentlig heller ikke. Derimod opstod livet som et samarbejde mellem flere samarbejdende celler, der opstod fra en pool af aminosyregener.

”Det er ubestrideligt, at cellen er livets grundlæggende enhed, men vores nye undersøgelser af biofilm peger i retning af, at de her samfund af bakterier opfører sig som multicellulære organismer med tæt kommunikation og samarbejde. Deres udvikling over tid kan samtidig sammenlignes med evolutionens, så gamle gener udtrykkes tidligt, mens biofilmene først senere udtrykker de nyeste gener. Den information er enorm vigtig, når vi skal lære at finde de svage punkter i bakterielle biofilm, der ofte er problematiske at bekæmpe med antibiotika,” forklarer Senior Research Associate Tomislav Domazet-Lošo fra Laboratory of Evolutionary Genetics, Division of Molecular Biology, Ruđer Bošković Institute, Zagreb, Kroatien.

Yngre og ældre gener

Bakterielle biofilm er af de store globale sundhedsmæssige bekymringer på grund af deres særlige evner til at tolerere antibiotika. Celler i biofilm har vist sig op til 1.000 gange mere antibiotikaresistente end enkeltceller, og fire ud af fem kroniske og tilbagevendende mikrobielle infektioner skyldes bakterielle biofilm. Det har ført til en stadig større interesse for at studere de hårdnakkede biofilm og prøve at forstå deres resistens.

”Multicellulær opførsel er meget udbredt blandt bakterier, men selvom det tidligere er blevet foreslået, at de skulle betragtes som multicellulære organismer, studeres de oftest som enkeltorganismer og betragtes også som sådan. Med vores nye studie ønskede vi at undersøge, hvordan de her biofilm kommunikerer og udvikler sig over tid. Altså om vi bør betragte dem som en flok af enkeltceller eller én samarbejde organisme," siger Tomislav Domazet-Lošo.

Forskerne analyserede derfor grundigt biofilm af bakterien Bacillus subtilis for at se, hvordan udtrykket af gener og proteiner ændrede sig via såkaldte transkriptom- og proteomprofiler. Derudover benyttede de sig af værktøjer, der i de senere år er udviklet til at vurdere den evolutionære signatur i et dyrs udvikling, dvs. om de gener, der udtrykkes, stammer fra den tidlige eller sene evolution af dyret.

”Vores teori er, at der er en tæt sammenhæng mellem den enkelte organismes udvikling, ontogenien, og så selve artens udvikling, fylogenien. Vores forsøg bekræftede, at de evolutionære yngre og mere divergerede gener i stigende grad blev udtrykt senere i biofilmvæksten end de gamle gener,” forklarer Tomislav Domazet-Lošo.

Vigtigt at forstå bakterierne

Studiet viste også, at bakteriernes form, struktur og molekylære signaturer er stærkt regulerede i veldefinerede genetiske udviklingsstadier – som man også kender det fra multicellulære eukaryoter, fx som man ser det i fosterudviklingen hos mennesker, hvilket for forskerne understreger de ligheder, der er mellem en bakteriel biofilm og traditionelle multicellulære organismer.

”Måden, de udvikler sig synkront på, og måden, hvorpå de differentierer sig alt efter, hvor de er i biofilmen, minder helt og holdent om det, vi kender fra mennesker og dyr – både med udviklingsfaser og med udvikling af forskellige strukturer i kroppen efter placering. Så hvis vi vil blive bedre til at forstå mikroorganismerne, så må vi ændre vores måde at anskue dem på,” lyder det fra Tomislav Domazet-Lošo.

Han mener i øvrigt heller ikke, at der er grund til at gøre andet end at sammenligne de bakterielle biofilm med multicellulære organismer. Faktisk er hans teori, at de fra tidernes morgen, da det første liv opstod, også var multicellulære organismer. I stedet for at en enkeltcellet organisme opstod i den bakterielle ursuppe, mener han, at det er langt mere sandsynligt, at det første liv har været multicellulære biofilm.

”Det er oplagt, at en samarbejdende multicellulær organisme har haft langt større chance for at overleve de voldsomme fysiologiske forhold med høj varme og ekstreme salt- og pH-forhold. Meget taler for, at livet er startet multicellulært, og at de første enkeltcelleorganismer er opstået senere, for så igen at blive multicellulære. Det er i hvert fald den teori, der lige nu passer bedst med de data, vi har,” uddyber Tomislav Domazet-Lošo.

Det er naturligvis rent historisk videnskabeligt interessant, men også set med moderne briller er den nye viden om biofilms evolution, opbygning og samarbejde særdeles væsentligt.

”Hvis vi forstår den måde, bakterierne arbejder sammen og er afhængige af hinanden, bliver det nemmere at overvinde de store udfordringer, vi har med antibiotikaresistens. I den forbindelse er det også vigtigt at undersøge biofilmenes udviklingsfaser, for der vil helt sikkert være nogle faser, hvor de er mere sårbare end andre,” lyder det afslutningsvis fra Tomislav Domazet-Lošo.

Embryo-like features in developing Bacillus subtilis biofilms” er udgivet i Molecular Biology and Evolution. Flere medforfattere er ansat på Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet, Kongens Lyngby.

LEG embraces three independent research groups that approach questions in evolutionary genetics from different angles.

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020