Mikroorganismer

Når vi trækker vejret, suger vi små organismer, mikroorganismer, ned i lungerne. Når vi bager brød, tilsætter vi mikroorganismer i form af gær for, at det hæver. Når Carlsberg brygger øl, og når Arla laver yoghurt og ost, bruger de mikroorganismer. Mikroorganismer bruges også ofte, uden at vi er klar over det. Når vi samler haveaffaldet til kompost, er det mikroorganismerne, der laver det om til muld. De små organismer er så vigtige for naturen, at den ikke ville kunne opretholdes, hvis de ikke var der. Heldigvis er der rigtig mange af dem, og de er overalt. Mens nogle mikroorganismer er gode og hjælper os, er der dog andre, der er meget skadelige.

Hvad er en mikroorganisme?

Mikroorganismer, nogle gange kaldet mikrober, er meget små organismer, der lever overalt. Det kan være svært at sige præcis, hvor grænsen går for, at noget levende kan kaldes en mikroorganisme. Generelt siger man, at mikroorganismer ikke kan ses med det blotte øje, men nogle gange vil man inkludere organismer, der er helt op til 3/10 mm. Der er dog en generel enighed om, at mikroorganismer er meget små.

Den vage definition af mikroorganismer giver en del problemer. Den samler organismerne under en betegnelse, men grænserne for, hvad der er en mikroorganisme, og hvad der ikke er, er meget utydelige. Man kan ikke bare sige, at mikroorganismer er encellet liv som bakterier, gær og alger. Der findes nemlig også insekter, der er så små, at vi ville kalde dem for mikroorganismer, selvom de består af flere celler. På den anden side findes der også encellede organismer, der er så store, at vi ikke bruger betegnelsen mikroorganismer om dem. Desuden er der stor uenighed omkring, om en virus kan kaldes levende og dermed også falder ind under betegnelsen mikroorganisme. En virus er ikke i stand til at producere de stoffer, den skal bruge for at overleve og kopiere sig selv. Derimod angriber den andre levende organismer. En virus ændrer sin ’værtscelles’ produktion af proteiner og andre stoffer til i stedet at skabe nye viruspartiker. En virus er altså ikke en selvstændig, levende organisme, men derimod en parasit der er afhængig af andre levende cellers virke for at kunne formere sig.

Mikroorganismer lever overalt, og der er rigtig mange af dem. Man har fundet små organismer levende under ekstreme tryk 10 km under havets overflade, nede i Marianergraven, andre har man fundet 7 km under jordens overflade, og andre igen svæver rundt ude i atmosfæren, hvor der næsten ikke er tryk. Der er mikroorganismer, der kan leve på polerne under ekstremt kolde temperaturer, mens andre kan leve i det kogende vand ved lavasøer og nær gejsere. Nogle mikroorganismer lever i bedste velgående i stærke syrer, mens andre kan gro under stærkt basiske forhold. Der kan altså leve mikroorganismer overalt, og der er rigtig mange af dem. Ser vi på ét enkelt gram jord, kan vi finde 1.000.000 små organismer.

Mikroorganismers rolle i økosystemet

Et af de vigtigste grundstoffer for at liv kan fungere er kvælstof, som også kaldes for nitrogen. Det bruges i alle celler til at opbygge de molekyler, der indgår i DNA og til at opbygge aminosyrer, der sammensættes til proteiner. På trods af at 78 % af den atmosfæriske luft består af nitrogen, N₂, er dette ikke på en kemisk form, der kan optages og bruges af planter og dyr. Mikroorganismerne besidder dog en evne til at omdanne N₂ til NO₂, NO₃, eller NH₄⁺. Når nitrogen er på disse former, kan det optages igennem planters rødder. Da planterne bliver spist af planteædende dyr, får disse dyr nitrogen ind med kosten. På samme måde bliver disse dyr spist af rovdyr. Mikroorganismer har altså en helt central rolle i det, vi kalder kvælstofkredsløbet.

De fleste dyr og planter fungerer ved, at de optager nogle kemiske stoffer. Når stofferne er optaget, bliver de klippet over til små ensartede molekyler. De kemiske stoffer bliver klippet til små molekyler, da organismen så nemt selv kan sammensætte de molekyler, den skal bruge. De kemiske stoffer kan sammenlignes med en konstruktion af Lego. Når man vil bygge en ny konstruktion splitter man klodserne fra hinanden før, man kan bruge dem til at bygge noget nyt.

Det er ikke alle kemiske stoffer, som et dyr eller en plante kan nedbryde. Derimod har mikroorganismer udviklet nogle særlige egenskaber til at nedbryde selv de mest komplicerede stoffer. På den måde indtager mikroorganismer en meget vigtig rolle i økosystemet. De nedbryder døde dyr og planter, så de ’Lego-klodser’, de er bygget af i form af molekyler, kan genbruges.

Mikroorganismer lever altså i et tæt samarbejde med resten af den omkringværende natur. Naturen supplerer mikroorganismer med komplekse stoffer, som normalt er svært nedbrydelige. Disse stoffer virker som næring for mikroorganismerne, da de er i stand til at nedbryde deres komplekse strukturer. Efter nedbrydningen kan stofferne igen bruges i naturen som næring til andet liv. Et sådan samarbejde mellem organismer, der kan drage fordel af hinanden, kaldes en ægte symbiose. Et symbiotisk forhold kan for eksempel hjælpe med at forhindre sygdomme, eksempelvis kan en organisme holde et træs rødder fri for svampe mod at træet leverer næring til organismen. Der findes også det der kaldes en falsk symbiose, dette er forhold hvor organismerne ikke kan drage fordel af hinanden.

Bakterier kan nemt komme til at lyde som farlige organismer, da vi oftest hører om dem i forbindelse med sygdomme. Disse mikroorganismer indgår dog i en fantastisk vigtig symbiose med menneskekroppen. Faktisk er langt størstedelen af cellerne i vores krop slet ikke vores egne, men bakterier der hjælper os. Inde i vores tarm er der bakterier, der kan hjælpe os med at nedbryde den mad, vi spiser, så vi kan optage den. Andre bakterier kan hjælpe os med at lave vitaminer, så vi forbliver sunde. Nogle bakterier lever af at holde vores hud ren ved at spise de døde hudceller, og andre ved at beskytte os mod sygdomme. De kan dræbe eller forhindre en virus i at trænge ind i kroppen, eller beskytte os mod svampeinfektioner.

Mens nogle mikroorganismer lever i disse symbiotiske forhold, er der andre, der lever af at drage fordel af andre organismer. Når et forhold mellem organismer ikke er gensidigt, kaldes det et snyltende eller parasitisk forhold.

Mikroorganismer, der udnytter en anden organisme, kaldes parasitter, mens de mikroorganismer, der bliver udnyttet, bliver kaldt værter. Nogle gange bliver værten ikke dårligere stillet af at parasitten udnytter dens ’gæstfrihed’, men ofte kan en parasit medføre alvorlige konsekvenser som sygdom og død for værten.

En virus er som tidligere nævnt en parasit. Den udnytter en værtscelle til at reproducere sig selv. Når de nye vira bryder ud fra cellen gør de det ved at sprænge cellemembranen, hvilket fører til cellens død. Andre parasitter, som vi kender, er svampe, der vokser på træer.

En mikroorganisme behøver ikke kun at være en parasit eller leve i symbiose med resten af naturen. Oftest kan organismerne leve symbiotisk i nogle forhold, som værten i andre forhold og parasit i helt tredje forhold. Hvad der gør sig gældende, afhænger af, i hvilket miljø mikroorganismen er. Når Pseudomonas aeruginosa lever i jorden ude i naturen, indgår den i symbiotiske forhold. Bakterien har en særlig evne til at udskille et stof, der hiver jern ud af omgivelserne. På den måde har den en særlig evne til at gro i miljøer, hvor der er meget lidt jern i jorden, da den kan udkonkurrere andre organismer, som ikke kan samle de små mængder jern. Når Pseudomonas aeruginosa samler jern i nærheden af et træs rødder, kan rødderne også bruge jernet. Bakterien kan altså hjælpe træet med at vokse, da det skal bruge jern i dens vækst. Bakterien bliver ofte tiltrukket af træet, da det til gengæld for jern eksempelvis giver næring. Den helt samme Pseudomonas aeruginosa kan også blive udsat for et virus angreb. Vira kan så bruge bakterien som vært for at reproducere sig selv.

Pseudomonas aeruginosa optræder som en slags parasit, når den sætter sig i lungerne på patienter med cystisk fibrose. Her medfører den en slem bakterieinfektion med dødelig udgang. Mikroorganismer som Pseudomonas aeruginosa, der medfører sygdomme til deres værter, kaldes for patogene organismer.

Patogene bakterier

Patogene organismer kan typisk deles op i to forskellige kategorier; Nogle patogene organismer angriber alle organismer i deres nærhed, mens andre patogene organismer venter på, at deres ofre er svækkede.

En patogen organisme, der angriber alt, hvad der er i nærheden, kaldes akut, og det er disse organismer, der fører til epidemier. De forårsager sygdom hos rigtig mange mennesker. Ofte fungere disse organismer bedst, når der ikke er medicin eller vacciner, der kan hjælpe med at bekæmpe sygdommen. Det er sådanne bakterier, som ofte forårsager store sygdomsudbrud efter oversvømmelser, da de bliver spredt til mange mennesker meget hurtigt. Akutte patogene organismer lever ofte som enkelte celler.

Andre patogene organismer har udviklet en anden strategi for angreb. De venter ind til deres ofre er tilpas svækkede, hvorefter de slår til. Ofte gemmer disse opportunistiske patogene organismer sig ved at kamuflere sig. Ved at opføre sig fredeligt og ligne deres omgivelser, kan de snyde for eksempel immunsystemet til at tro, at de er uskadelige. Når der er nok af disse opportunister, klumper de sig sammen og danner et skjold af biofilm. På den måde kan de være beskyttet mod omgivelserne, imens de venter på en svaghed i værten. Når sådan en svaghed opstår, angriber alle de patogene organismer værten i et koordineret angreb, hvilket overbelaster immunforsvaret. Dette forårsager derfor ubehag og sygdom hos værten.

Selvom man kan opdage en opportunistisk patogen bakterie i tide, er der ikke udviklet en god måde til at bekæmpe dem. Derfor kan man ikke forhindre et dødbringende udbrud. Netop derfor er bakterier som Pseudomonas aeruginosa så farlige. De er i stand til at snyde vores immunforsvar, når vi er svækkede, og forsage stor skade og død. En svækkelse kan være i form af kroniske sår i kroppen, cystisk fibrose eller HIV/AIDS.

Hvordan kan man bruge mikroorganismer

Igennem evolution har mikroorganismer udviklet evnen til at lave alle tænkelige slags stoffer. Stoffer og kemikalier som vi nutildags producerer med giftige kemikalier, har mikroorganismer lært at producere helt af sig selv, uden brug af kemikalier eller høje temperaturer. Det er disse egenskaber fra naturen, som medfører både større sikkerhed i produktionen, og at det bliver billigere at lave forskellige produkter. Vi ønsker derfor at kopiere eller bruge mikroorganismernes produktion.
Ser man for eksempel på en edderkop, kan den spinde et væv af spindelvæv, der er så modstandsdygtigt, at det vil kunne bruges til skudsikre veste. Men skal vi lave noget af tilsvarende styrke, for eksempel kevlar bruger vi stærke kemikalier, høje temperaturer og store tryk for at få noget, der ikke engang er lige så stærkt eller tyndt. Vi kan altså benytte naturen til at undgå brug af skadelige kemikalier og gøre arbejdspladser mere sikre.

Mikroorganismer har en fundamental betydning for vores økosystem. De har rigtig mange nyttige egenskaber, og hvis man vælger de rigtige mikroorganismer, kan de bruges under ekstreme forhold. Desuden er de også meget små. Det betyder, at de ikke skal vedligeholde lige så mange funktioner, som større, flercellede organismer skal. Mikroorganismer er derfor mere specialiserede, så hvis man finder de rigtige organismer, kan de være nyttige redskaber, som mennesket kan udnytte til forskellige formål.
Når man for eksempel vil lave en DNA test, er det vigtigt, at man har meget DNA. Derfor udfører man en speciel kemisk proces, som kaldes polymerase chain reaction, PCR. PCR går ud på, at du tager en lille smule DNA, varmer det op så de to DNA-strenge går fra hinanden, køler det lidt ned igen, og derefter kopierer man DNA’et med enzymer på samme måde, som når cellen deler sig. Processen gentages mange gange, indtil man har tilpas mange kopier af DNA-stykket. Reaktionen, hvor DNA-strengene splittes ad, sker desværre ved 95° C , hvilket de færreste celler kan leve ved. Derfor kan deres enzymer heller ikke holde til de høje temperaturer. Ved at bruge enzymer fra en mikroorganisme, som man fandt, der normalt lever på kanten af varme gejsere, kan enzymerne fungere ved den høje temperatur, som kræves førend DNA-strengene splittes ad. På samme måde har man også udnyttet enzymer fra en bakterie, der kan leve ved varme temperaturer, til vaskepulver. Dette gør, at vaskepulveret virker ved 60° C. Man benytter ligeledes andre enzymer for at vaskepulver fungerer ved 30° C

Nogle sygdomsfremkaldende bakterier er blevet så gode til at modstå vores medicin, at man overvejer at bruge andre mikroorganismer til at bekæmpe dem. Bakteriofager er vira, der kun angriber bakterier. De er så specialiserede, at de kun vil angribe en helt bestemt type bakterier. Derfor kan man bruge dem som medicin, da de ikke kan angribe resten af kroppens celler eller de bakterier, der er gode for os.

I det hele taget bruges mikroorganismer til produktion af alt fra fødevarer til lægemidler og biobrændstof. Noget af den nyeste forskning viser at man i fremtiden måske kan producere batterier og solceller, der samler sig selv ved at bruge genetisk modificerede mikroorganismer.

Bakteriers vækst, næringskrav og overlevelse

Når vi bruger en mikroorganisme, såsom en bakterie, til at lave et produkt, kalder vi det for en cellefabrik. Ofte kan de organismer vi finder i naturen ikke bruges direkte som ”fabrikker”, så derfor laver man en række genetiske ændringer i organismen. Det kan eksempelvis være, at man skærer mange af de biprodukter, vi ikke vil have, væk, eller at man gør cellen mere hårdfør. Desuden prøver man at optimere cellen til at lave mere af produktet, end den ville under naturlige forhold.

Når en organisme er klar til at blive brugt som cellefabrik, dyrker man dem, så man har rigtigt mange celler, hvorefter man prøver at få dem til at lave så meget af det ønskede produkt som muligt. Denne proces kaldes fermentering. Under fermenteringsprocessen er det vigtigt, at cellerne har de bedste forhold for vækst og for at lave produktet, man skal bruge. Derfor er det vigtigt at vide, hvordan cellen lever ude i naturen. Ved at fjerne nogle af de essentielle næringskrav som cellen har, vil cellefabrikkerne nemlig dø.

Ligesom vi mennesker ikke kan leve uden at få ilt, O₂, er der mange bakterier, der heller ikke kan fungere uden det. Oxygen indgår i mange biokemiske reaktioner i kroppen og spiller bl.a. en central rolle i den måde, vi laver vores mad om til energi, på. Når vi skal bruge meget energi, så kan vi ikke nå at få nok oxygen ind. Derfor har vi også en anden proces, der skaber energi uden brug af oxygen. Når vi skaber energi uden at forbruge oxygen, får vi dog meget mindre energi ud af samme mængde mad, som hvis der var oxygen tilstede. I stedet danner vi et biprodukt, mælkesyre. Dette produkt kender vi fra situationer, hvor vores muskler syrer til ved hård fysisk træning.

Bakterier, der kan overleve helt uden noget O₂ tilstede, skal have nogle af iltens egenskaber andre steder fra. Disse kan opnås igennem stoffer som SO₄^2-, NO₃^– eller S. Ved at bruge disse stoffer kan bakterierne lave mere energi ud af mad, end vi kan uden ilt. Dette skyldes, at vi ikke kan erstatte ilt med andre stoffer.

De bakterier, der benytter sig af ilt, kaldes for aerobe bakterier, mens de, der ikke bruger ilt, kaldes for anaerobe. Desuden er der en tredje bakteriekategori, som består af aerobe bakterier, der også kan overleve, når der ikke er noget ilt. De kaldes for fakultative bakterier.

Et andet meget vigtigt element for bakterievækst, udover ilt, er temperatur. Hvor nogle celler gror optimalt, når det er omkring 60° C eller endnu varmere, er der andre bakterier, der er bedst egnet til at gro ved temperaturer omkring 15° C. Alle bakterier har en laveste og højeste temperatur, hvor de vil gro ved, og temperaturintervallet spænder ofte over omkring 15° C. For eksempel har E. coli bakterien udviklet sig til at have optimal vækst i menneskets tarm. Derfor lever den bedst i et miljø, hvor temperaturen er mellem 25° C og 40° C.

Det er også vigtigt, at bakterier gror i et optimalt miljø mht. pH. De fleste bakterier gror bedst ved en pH-værdi mellem 6,7 og 7,5. Andre bakterier har udviklet sig i spildevand fra kulminer, og de er i stand til at gro ved en pH-værdi på 1, hvilket er meget surt, mens andre bakterier kan overleve i basiske miljøer med pH-værdier helt op til 9.

Osmose, der fører til store problemer ved cystisk fibrose, har også stor betydning for bakteriers generelle overlevelse. De fleste bakterier kan ikke tåle særlig høje saltkoncentrationer, hvilket har ført til saltning af kød og fisk for at få det til at holde sig længere. Andre bakterier kan gro i meget salte miljøer, hvor saltkoncentrationen går helt op til 30 % og andre igen kræver faktisk tilstedeværelsen af salt for at kunne overleve. Ikke nok med at salt hæmmer meget bakterievækst, så dræber det også ofte cellerne, da de pumper meget af deres indre vand ud for at have den samme koncentration inden i cellen, som der er i miljøet udenfor. De meget saltholdige bakterier, der for eksempel lever i Det Døde Hav, vil derimod suge for meget vand ind i sig, hvis de blev sat i normalt vand, og derved ville de sprænge. I det hele taget er vand meget vigtigt for mange bakterietyper, men det ødelægger deres vækst, hvis vandet ikke indeholder de rigtige stoffer i de rette koncentrationer.

Desuden er der en lang række af grundstoffer, der er essentielle for bakterier. Nogle er vigtige i forhold til, at bakterien kan danne og lagre energi, heriblandt grundstoffet fosfor, som er energikilden i ATP og ADP. Fosfor spiller også en væsentlig rolle i forbindelse med cellers kommunikation med hinanden. Kulstof, hydrogen og oxygen indgår i alle dele af kroppen lige fra cellers membraner og DNA til proteiner. Svovl er blandt andet vigtigt i forbindelse med dannelsen af to af de 20 essentielle aminosyrer, nemlig cystein og methionin. Nitrogen bruges blandt andet i syntesen af aminosyrer og DNA. I forbindelse med energiudvikling i cellen, bruges der blandt andet jern til elektrontransport. Jernet har også en anden vigtig rolle, da det er med til at fastholde ilt til hæmoglobin i blodet i mere komplekse organismer. Alle disse stoffer anses for at være essentielle for alt liv, og man kan derfor ikke sige, at nogle af dem er vigtigere end andre.