• Jagten på den vilde bakterie

    Jagten på den vilde bakterie

    Bakterien Pseudomonas Aeruginosa gemmer sig et sted derude. Den angriber patienter med Cystisk Fibrose og skaber store problemer nede i deres lungerne.

    I dette materiale lærer du, hvorfor patienter med Cystisk Fibrose er specielt udsatte for bakterieangreb, hvordan man kan bruge en bakteries evolution til at finde den i naturen og bagefter kan du selv afprøve teorien i jagten på at finde den vilde Pseudomonas aeruginosa bakterie.

    For at navigere i projektet kan menuen i venstre side anvendes eller oversigten nedenfor.

    Projektoversigt

    Teori:

    God fornøjelse med projektet!

    Opdateret af Victoria Claudia Svendsen den 7. august 2017

  • Teori

    Teori

    Herunder ses en oversigt over projektets fire artikler. Artiklerne kan læses uafhængigt af hinanden eller indgå i et undervisningsforløb sammen.

    Rigtig god fornøjelse med den teoretiske del af projektet!

    En lille genfejl med stor betydning

    På alle måder minder Lucas om en ganske normal teenager. Han går til fodbold, spiller trommer og bruger tid sammen med vennerne. Men Lucas er lidt anderledes. Han har nemlig en lille fejl på et protein i kroppen. En fejl, der er så lille, at den aldrig ville kunne ses med det blotte øje. Den er så lille, at et normalt mikroskop ville det ikke ses. Den lille fejl består i, at der mangler en enkelt aminosyre på et protein, der er 1480 aminosyrer langt. Selvom fejlen er lille, er konsekvenserne for manglen meget store.

    Hver morgen starter Lucas dagen med et sug i hans inhalator. Det gør han for at få medicin, der skal løsne slimet, der altid sætter sig i hans lunger. Derefter tager Lucas en PEP-maske på. Den skal han trække vejret igennem en halv time hver morgen for at hjælpe inhalatorens virkning. Morgenritualet skal Lucas igennem yderligere tre gange hver dag, for på den måde holdes hans lunger rene. Det er dog ikke alt, hvad den lille fejl gør.

    Lucas skal også spise mere mad end andre til alle måltider, fordi hans krop ikke kan optage maden rigtigt. Kroppen skal derfor hjælpes med at nedbryde mad. Lucas spiser derfor enzymkapsler til hvert måltid. På trods af, at Lucas spiser meget, får han ikke mad nok til at kunne vokse. Sammen med sine forældre og læger, har han valgt at sove med et drop, der fodrer ham med næringsstoffer i løbet af natten. I alt tager Lucas 6 forskellige slags medicin, for at hans krop fungerer ’normalt’.
    Selvom medicinen hjælper, har Lucas stadig nogle problemer, som de fleste af hans jævnaldrende ikke har. For selvom Lucas tager megen medicin, kan det ikke rense hans lunger helt. Han skal mindst en gang om måneden på hospitalet for få renset lungerne for bakterier. Dette er bakterier, der bliver ved med at komme igen. Om et par år ved Lucas godt, at lægerne ikke længere kan rense hans lunger helt. Så må han leve med en bakterie, der langsomt ødelægger hans lunger. Statistikken siger, at cystisk fibrose-patienter som Lucas ikke skal forvente at blive meget mere end 45 år gamle.

    Hvordan kan sådan en lille fejl skabe så stor skade i lungerne? For at forstå det, bliver vi nødt til at forstå, hvordan lunger fungerer, når der ikke er noget galt med dem, og hvordan de fungerer, når man har sygdommen cystisk fibrose.


    Lungerne og Cystisk Fibrose

    Lungerne bruges til at optage ilten, vi indånder, i blodet, så det kan blive transporteret videre ud til vores celler. Det er vigtigt, at så meget ilt som muligt kan komme i kontakt med blodet og videre ud i det. Lungerne er derfor indrettet med en meget stor overflade, hvor ilt og blod kan mødes.

    Lungerne er opbygget lidt på samme måde som et omvendt træ. Luftrøret, der går fra halsen og ned, er træets stamme. Ud fra luftrøret springer et netværk af grene kaldet bronkier. Yderst sidder de små aveoler, der kan sammenlignes med bladene på træet. Grundlæggende kan vi dele lungerne op i to forskellige funktioner; Den der fordeler ilt, O2, og den der udskifter kuldioxid, CO2, med ilt. Luftrøret og bronkierne sikrer, at der bliver transporteret nyt O2 ned, og at det brugte CO2 bliver pumpet ud ved hver vejrtrækning. På grund af lungernes mange grene kan de nemt fordele ilt ud på et meget stort område. Alveolerne sidder yderst og sørger for, at der skabes en stor overflade imellem ilten inde i lungen og blodet på den anden side af lungen. De fjerner det kuldioxid, der er blevet dannet i kroppen, når kroppens celler har forbrugt ilt, og de udskifter det med det nye, indåndede ilt.

    Figur 1. Billedet viser hvordan en lunge er opbygget lidt som et træ med 2 store grene. Her bliver ildten fordelt så det kommer helt ud til alveolerne. Fordi der er så mange små ‘grene’ på stammen kan der dannes en meget større overfalde. Det kan sammenlignes med at man kun ser på overfalden af en papirskugle, som kan være meget lille, men når man folder papirskuglen ud bliver overfladen et helt stykke A4 papir.

    Det er ikke kun luft, der kommer ned i lungerne. Når man trækker vejret, suger man også partikler, støv, bakterier og vira ind. På den måde er lungerne en direkte adgang for, at ellers uønskede mikroorganismer kan komme ind i kroppen. Derfor har kroppen også udviklet et system til hele tiden at holde lungerne rene.

    Figur 2. Billedet viser hvordan fimrehårene sidder i et lille lag vand på cellernes overflade. Når der er det rigtige niveau af vand kan fimrehårene nøjagtigt nå op til overfladen. Nogle celler i lungen laver mucus som kan fange bakterier og vira. Når skidt først er blevet fanget i slimet kan fimrehårene langsomt børste slimet ud af lungen, på samme måde som når man fejer gulvet.

    Cellerne i lungen udskiller konstant en væske, der er en blanding af vand og salt, og på cellernes overflade sidder der små fimrehår. Da fimrehårene er nede i væsken, står de og svajer frem og tilbage lidt på samme måde, som tang kan gøre i havvand. Desuden udskiller nogle celler i lungen et slimet, klæbrigt sekret, som kaldes mucus. Mucus flyder ud på toppen af væsken og indfanger de bakterier, der måtte bevæge sig rundt i lungerne. Herefter bliver det langsomt fejet ud. Bakterierne bliver simpelthen båret oven på de bølgende fimrehår, så de kan skubbes ud. På den måde kan normale lunger hele tiden holde sig selv rene. Mucus er det slim, der kommer ud, når man bliver snottet i løbet af vinteren.

    Når vi bliver syge kommer der mere mucus. Det overbelaster og forstopper bronkierne, og det bliver derfor for tungt at feje ud for fimrehårene. Vi begynder derfor at hoste eller nyse for at hjælpe kroppen med at få mucusen ud af systemet.

    Figur 3. Normalt kan CFTR proteinet transportere Na+ og Cl- ud af cellen. Men når man har cystisk fibrose kan cellen ikke længere transportere Cl- ud. Derfor stiger saltkoncentrationen inde i cellen. Den øgede saltkoncentration medføre at der bliver suget vand ind fra celleoverfladen igennem osmosen. Det betyder at der ikke er nok vand til at fimrehårene kan fungere.

    Patienter med cystisk fibrose har dog en lidt anden opbygning af lungerne. Genfejlen, der gør at man får cystisk fibrose, forårsager en fejl på et protein, der normalt transporterer salt ind og ud af de celler, som sidder på vores ’overflade’, fx vores hudceller, og dem der er i munden og i lungerne. Fejlen gør, at en celle opbygger en høj koncentration af saltet inden i sig selv. For at udligne forskellen på koncentrationer, der er inde i cellen og ude i saltlagen, suges noget af det omkringværende vand ind i cellen i en proces kendt som osmose. På den måde bliver det omkringværende vandlag mindre, mens forskellen på koncentrationen af salt inde i og uden for cellen bliver udlignet.

    Figur 4. Når man har cystisk fibrose virker fimrehårene ikke da vandet fra celleoverfladen er blevet suget ind. Derfor kommer mucusen ikke ud af lungen. Det giver bakterier mulighed for at slå sig ned, inde i den dejlige varme.

    Cellernes naturlige tilpasning til omgivelserne og regulering medfører dog en meget uheldig bivirkning. Da vandet bliver suget ind i cellen, får fimrehårene meget lidt plads at arbejde på, og de kan derfor ikke feje ordentligt. Manglen på væske omkring cellerne betyder også, at mucusen bliver mere sej, da det ikke kan fortyndes. Den ender med at få en tyggegummilignende konsistens, som permanent sidder i lungerne og ikke kan transporteres ud.

    Fordi kroppens forsvar mod indtrængende organismer ikke virker i lungerne hos personer med cystisk fibrose, er patienter med denne sygdom konstant udsat for mange bakterier som alle skal bekæmpes og ikke blot kan fejes ud. Bakterierne kan igennem vejrtrækningen komme ned i lungerne, hvor de kan slå sig ned på ’øen’ af tyggegummi-agtigt mucus og langsomt gro, før de angriber de omkringliggende celler.


    Cystisk fibrose og Pseudomonas Aeruginosa

    En af de bakterier, der oftest findes i cystisk fibrose-patienter, hedder Pseudomonas aeruginosa . Den kendes bl.a. fra hospitalerne, hvor den er et stort problem at komme af med. Bakterien er igennem evolutionen blevet så veludviklet til at overleve i forskellige miljøer, at den både kan bruge luft eller alkohol som kilde til oxygen, hvilket er en evne, som de færreste bakterier besidder. Desuden er den så nøjsom i forhold til næring, at den kan gro i destilleret vand.

    Det største problem med bakterien og med at få den ud af kroppen er, at den har en helt særlig beskyttelsesmekanisme. Den danner et biologisk skjold om sig selv, som kan anses som en form for borg. Dette skjold kaldes biofilm og er meget komplekst sammensat. Vi ved ikke særlig meget om, hvad biofilm egentlig er og derfor er det også et område, som forskere beskæftiger sig meget med. Når biofilmskjoldet får tid til at bygge sig op, kan det forhindre antibiotika og andre antimikrobielle former for medicin i at komme i kontakt med bakterierne. På den måde kan Pseudomonas aeruginosaundgå at blive udryddet.

    Patienter med cystisk fibrose modtager medicin for at løsne slimet i lungerne. De får samtidig antibiotika hver måned for at dræbe Pseudomonas aeruginosa bakterierne, før at de når at danne det biologiske skjold. Selvom medicinen virker, er løsningen dog ikke optimal. Når først Pseudomonas aeruginosa har dannet sit biologiske skjold, kan man  ikke slippe af med den på anden måde end ved en lungetransplantation. Dette er en operation, der næsten aldrig giver patienterne en normal tilværelse bagefter.

    Cystisk fibrose påvirker patienter på mange måder. Genfejlen gør blandt andet, at deres fordøjelses system ikke virker, som det skal, så mange patienter bliver nødt til at spise meget mere end raske mennesker. Dette kan være meget belastende, da de hele tiden skal overspise, og flere patienter vælger i stedet at ligge med en sonde om natten, der kan give dem yderligere føde. På den måde kan deres daglige måltider ændre sig fra at være stressende situationer, hvor familien presser en syg til at spise mere, til afslappede måltider, som familien kan hygge sig med.

    Patienter med cystisk fibrose bliver i gennemsnit 45 år, men for blot 20 år siden, kunne de fleste kun forvente  at blive 20 år. Der er altså tale om, at deres levetid er blevet mere end fordoblet og udviklingen inden for patienternes velfærd har været meget god. Der er dog stadig mange muligheder for at give dem et endnu bedre og længere liv, end de har på nuværende tidspunkt.

    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 over alt. 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 over alt, 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 kansammenlignes 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 i 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 enkelt 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

    Naturen har udviklet en måde at undgå brug af skadelige kemikalier, og sparer meget energi ved at lave produkter ved kropstemperaturen. Det er disse egenskaber fra naturen, som medfører både større sikkerhed i produktionen, og at det bliver billigere at lave at vi ønsker at kopiere med mikroorganismer.
    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, 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 kopiere man DNA’et med enzymer på samme måde, som når cellen deler sig. Processen gentages mange gange, ind til 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 fungere 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 så som 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 SO4­2-, 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 springe. 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.

    Livet?

    Noget af det mest centrale at forstå ved biologi er tilfældighedens rolle i den biologiske verden. Ligesom mennesker begår naturen nogle gange fejl. Fejlene sker ved et tilfælde, men fejl kan også være meget positive. Vi kan eksempelvis spørge os selv om, hvordan det kan være, at der findes liv på jorden. Svaret: Livet opstod ved et tilfælde.

    Før livet opstod, var der konstant molekyler der stødte sammen med andre molekyler. Når et ’rigtigt’ par ramte hinanden, blev der dannet et nyt anderledes molekyle. På et tidspunkt umiddelbart inden livet er opstået, kan man forestille sig, at der har været en række biokemiske molekyler som aminosyrer, DNA og proteiner.  De processer, der i dag sker inden i vores celler, minder meget om dem, der foregik før livet blev til. DNA’et bestod også dengang af kodende gener, der kunne kopieres som ved en celledeling eller bruges til at lave et protein. Der var ikke tale om egentligt liv på dette tidspunkt, da de biokemiske molekyler ikke var afgrænsede af membraner. Alle molekylerne var blandet sammen i et stort hav, ursuppen, hvilket også resulterede i, at nogle af vores biokemiske molekyler blev ødelagt i reaktioner og derved mistede deres oprindelige funktion.

    Ved et tilfælde blev flere af disse biokemiske molekyler omgivet af en kappe af lipider, en membran. Lipider danner membraner når de er i vand, da en del af molekylet gerne vil være i kontakt med vand og en anden del gerne vil være langt væk fra vand. Man kan sammenligne det med hvordan 2 magneter tiltrækker hinanden, hvis man vender dem den ene vej, mens de frastøder hinanden, hvis man vender den ene om. Derfor danner lipider et dobbeltlag, så de dele af molekylet, der ikke vil være i kontakt med vand, kan undgå det.

    Figur 1. Billedet viser hvordan lipider danner en cellemembran. De runde brune ringe er glycerol med en fosfor gruppe. Disse ‘hoveder’ er vandopløselige og vil derfor gerne være i kontakt med vand. Hvert hoved har 2 haler bestående af fedtsyrer. Disse er ikke opløselige i vand, men derimod kan de opløses i fedt. Da de andre haler er lavet af fedt vil alle halerne sætte sig tæt på hindanden omringet af ‘hoveder’ der kan være i kontakt med omliggende vand. Hvis der kun er haler inde i midten kaldes det en micelle. Er der derimod vand på begge sider af lipiderne, vil de danne et dobbelt lipidlag kaldet en membran. På den måde undgår deres haler at være i kontakt med vandet. Det er igennem dette lag at der kan side proteiner, som for eksempel CFTR proteinet der er en saltpumpe.

    Membranerne blev altså dannet ved et tilfælde, og lige så tilfældigt skete det også på et tidspunkt, at de fik omsluttet alle de biokemiske molekyler, der skulle bruges for at kunne kopiere sig selv. På denne måde blev det første liv dannet i form af celler. Man kan sammenligne det med at slå med en terning. Hvis man bare slår nok gange skal man nok slå to seksere efter hinanden, men det kan godt kræve mange forsøg. Naturen havde rigeligt med tid til at prøve, og efter mange forsøg blev alt essentielt samlet i en membran.


    Den Naturlige Selektion

    På trods af at celler er levende, opstod de ikke med livet som et mål i sig selv. De er et samarbejde imellem en hel masse forskellige molekyler, som ellers bare flød rundt i ursuppen . Celler har den fordel, at de har en beskyttende membran. Cellemembranen forhindrer molekylerne inden i cellerne i at komme i kontakt med andre molekyler uden for cellen. På den måde er cellens indre beskyttet mod mange af de skadelige stoffer, som langsomt ødelagde de ikke sikrede molekyler. Cellerne havde altså et bedre grundlag for at overleve og kopiere sig selv end de frit flydende molekyler, der ikke var beskyttet af en membran. På den måde kunne cellerne altså langsomt udkonkurrere de frie molekyler.

    Denne form for konkurrence for at  overleve ’ er det, vi inden for biologien kalder en selektion, da det kun er de bedste, der overlever. Det er inden for denne gren i biologien, at begrebet ’survival of the fittest’ stammer fra. ”The fittest” er ikke de stærkeste, eller dem der får mest afkom. Det er derimod de celler eller de dyr, der er bedst tilpassede til deres omgivelser, som overlever.

    Selektionen sker naturligt, da den tilpasser sig omgivelserne. De fugle, som Darwin brugte til at grundlægge sine teorier om evolution, havde alle tilpasset sig til deres omgivelser på forskellige måder på trods af, at de havde den samme oprindelse. Det er på grund af den naturlige selektion at rovdyr som hunde, katte og mennesker har øjne, der peger ligeud, da disse fungerer bedre til at jage med. Da rovdyr jager for at få mad, og fremadrettede øjne er en fordel i jagten, har vores øjne igennem den naturlige selektion udviklet sig til at være fremadrettede. På samme måde er byttedyr som hestes og harers øjne rettet mere ud til siderne. Samtidig med at de spiser, skal de nemlig kunne have et godt overblik over, om der kommer rovdyr, så de kan reagere hurtigt. Ud over den naturlige selektion findes der også den seksuelle selektion. Denne udspringer af hannens eller hunnens genmasse ikke bliver videreført til de nye slægter, hvis de ikke får noget afkom.

    Det er igennem den naturlige selektion, at celler, som oprindeligt var ens, er blevet til meget forskelligt liv. Nogle celler arbejder stadigvæk som encellede organismer, mens andre indgår i meget komplekse netværk af celler f.eks. som planter og dyr. Fordi alt liv er udviklet fra de samme grundlæggende organismer, har liv i dag stadig meget tilfælles. Cellerne i en fugl har samme grundlæggende DNA-molekyler som en bakterie. De laver proteiner og kopierer deres DNA på måder, der er meget ens. Det samme gælder for planter. I det hele taget er der meget store lighedstræk imellem forskellige levende organismer, hvis man ser på deres enkelte celler.


    Mutationer og tilpasning

    Når en celle deler sig igennem mitosen, den normale celledeling, benytter den sig normalt af, at DNA’et består af 4 forskellige molekyler. De fire molekyler er nukleobaserne Adenin, Thymin, Guanin og Cytosin. Nukleobaser sidder over for hinanden i bestemte basepar. Adenin sidder over for Thymin, mens Guanin er over for Cytosin. Når  Adenin sidder over for Thymin passer de sammen ligesom to puslespilsbrikker. Hvis man erstatter Adenin med Guanin eller Cytosin, vil de ikke passe ligeså godt sammen med Thymin som Adenin gjorde. Det kan i sidste ende få store konsekvenser, hvis det ikke opdages.

    Membranerne blev altså dannet ved et tilfælde, og lige så tilfældigt skete det også på et tidspunkt, at de fik omsluttet alle de biokemiske molekyler, der skulle bruges for at kunne kopiere sig selv. På denne måde blev det første liv dannet i form af celler. Man kan sammenligne det med at slå med en terning. Hvis man bare slår nok gange skal man nok slå to seksere efter hinanden, men det kan godt kræve mange forsøg. Naturen havde rigeligt med tid til at prøve, og efter mange forsøg blev alt essentielt samlet i en membran.


    Den Naturlige Selektion

    På trods af at celler er levende, opstod de ikke med livet som et mål i sig selv. De er et samarbejde imellem en hel masse forskellige molekyler, som ellers bare flød rundt i ursuppen . Celler har den fordel, at de har en beskyttende membran. Cellemembranen forhindrer molekylerne inden i cellerne i at komme i kontakt med andre molekyler uden for cellen. På den måde er cellens indre beskyttet mod mange af de skadelige stoffer, som langsomt ødelagde de ikke sikrede molekyler. Cellerne havde altså et bedre grundlag for at overleve og kopiere sig selv end de frit flydende molekyler, der ikke var beskyttet af en membran. På den måde kunne cellerne altså langsomt udkonkurrere de frie molekyler.

    Denne form for konkurrence for at  overleve ’ er det, vi inden for biologien kalder en selektion, da det kun er de bedste, der overlever. Det er inden for denne gren i biologien, at begrebet ’survival of the fittest’ stammer fra. ”The fittest” er ikke de stærkeste, eller dem der får mest afkom. Det er derimod de celler eller de dyr, der er bedst tilpassede til deres omgivelser, som overlever.

    Selektionen sker naturligt, da den tilpasser sig omgivelserne. De fugle, som Darwin brugte til at grundlægge sine teorier om evolution, havde alle tilpasset sig til deres omgivelser på forskellige måder på trods af, at de havde den samme oprindelse. Det er på grund af den naturlige selektion at rovdyr som hunde, katte og mennesker har øjne, der peger ligeud, da disse fungerer bedre til at jage med. Da rovdyr jager for at få mad, og fremadrettede øjne er en fordel i jagten, har vores øjne igennem den naturlige selektion udviklet sig til at være fremadrettede. På samme måde er byttedyr som hestes og harers øjne rettet mere ud til siderne. Samtidig med at de spiser, skal de nemlig kunne have et godt overblik over, om der kommer rovdyr, så de kan reagere hurtigt. Ud over den naturlige selektion findes der også den seksuelle selektion. Denne udspringer af hannens eller hunnens genmasse ikke bliver videreført til de nye slægter, hvis de ikke får noget afkom.

    Det er igennem den naturlige selektion, at celler, som oprindeligt var ens, er blevet til meget forskelligt liv. Nogle celler arbejder stadigvæk som encellede organismer, mens andre indgår i meget komplekse netværk af celler f.eks. som planter og dyr. Fordi alt liv er udviklet fra de samme grundlæggende organismer, har liv i dag stadig meget tilfælles. Cellerne i en fugl har samme grundlæggende DNA-molekyler som en bakterie. De laver proteiner og kopierer deres DNA på måder, der er meget ens. Det samme gælder for planter. I det hele taget er der meget store lighedstræk imellem forskellige levende organismer, hvis man ser på deres enkelte celler.


    Mutationer og tilpasning

    Når en celle deler sig igennem mitosen, den normale celledeling, benytter den sig normalt af, at DNA’et består af 4 forskellige molekyler. De fire molekyler er nukleobaserne Adenin, Thymin, Guanin og Cytosin. Nukleobaser sidder over for hinanden i bestemte basepar. Adenin sidder over for Thymin, mens Guanin er over for Cytosin. Når  Adenin sidder over for Thymin passer de sammen ligesom to puslespilsbrikker. Hvis man erstatter Adenin med Guanin eller Cytosin, vil de ikke passe ligeså godt sammen med Thymin som Adenin gjorde. Det kan i sidste ende få store konsekvenser, hvis det ikke opdages.

    Før cellen deler sig bliver DNA-strengen delt over til to strenge ved at baseparrene bliver splittet, så de kommer til at sidde på hver sin streng. Eksempelvis vil adenin splittes fra Thymin, så de sidder på to forskellige strenge Specielle enzymer vil nu begynde at genskabe DNA-strengenes modsatte halvdele. Dette sker ved at matche en nukleobase i strengen med den nukleobase som den passer sammen med. Da Adenin altid sidder modsat Thymin, og Guanin altid sidder modsat Cytosin, bliver det kopierede DNA identisk. Ud fra én enkelt DNA-streng opnår man altså to nye strenge.

    En kopiering af DNA går meget hurtigt. I nogle bakterier kan kopieringen ske med op til 1000 basepar i sekundet.  Når det går så hurtigt, er der desværre også lidt større risiko for, at enzymerne begår den fejl  at ’matche’ et par nukleobaser, der ikke passer sammen. Derfor kan kopierings-enzymet foretage noget, som kaldes ”proof-reading”. Dette er en slags  korrekturlæsning af kopierne .Enzymet tjekker helt simpelt, om der er sket en fejl i matchningen af baseparrene. Hvis matchningen er korrekt vil baserne i et basepar sidde tæt på hinanden præcis ligesomet par brikker i et puslespil. Hvis der derimod er sket en fejl, passer brikkerne ikke sammen. Det skubber dem lidt ud af DNA strengen, hvilket bliver genkendt af enzymet, som vil foretage en reparation.

    På samme måde som der nogle gange sker fejl i kopieringen, vil der også ske fejl i rettelserne. I stedet for at skifte den ’forkerte’ nukleobase bliver den ’rigtige’ ændret til at matche den ’forkerte’. Hvis dette sker, er den nye DNA-streng ikke længere identisk med den oprindelige DNA-streng, da et enkelt basepar er ændret.

    Når DNA’en ændrer sig er der stor sandsynlighed for, at det påvirker den nye celle. Hvis fejlen sker i nogle ikke centrale dele af DNA’et, påvirker de hverken cellen negativt eller positivt. Den kopierede celle kan altså leve og vil give sit ’forkerte’ DNA videre, hver gang den deler sig. Da cellen hverken får forbedrede eller forværrede overlevelsesmuligheder, betyder disse ændringer intet i forhold til cellens udvikling eller tilpasning til dens miljø.

    Der kan også opstå disse fejl i de centrale dele af cellens DNA. Hvis fejlen sker et sted, der ændrer på et protein, som er vigtigt for cellens overlevelse, vil cellen formodentligt dø. Det vigtige protein vil ikke kunne laves korrekt, og derfor vil det heller ikke være funktionelt. I nogle tilfælde vil proteinet stadig være funktionelt, men dets effektivitet vil være ændret. Hvis effektiviteten bliver dårligere, vil det betyde, at cellen har forringede overlevelsesmuligheder. Cellen vil derfor blive udkonkurreret igennem den naturlige selektion. Forbedres effektiviteten af proteinet derimod, vil cellen have en øget fordel i forhold til den naturlige selektion. Den vil langsomt kunne udkonkurrere de oprindelige celler, altså de celler den opstod ud fra. Cellen har altså tilpasset sig til de forhold, den lever under. Den naturlige selektion er en form for ”blind kraft” . Den virker ved at cellerne ændres når en celle’s replikation har lavet mange fejl. Nogle af de nye celler med indbyggede fejl vil så være bedre end den oprindelige celle til at overleve. Den naturlige selektion har på den måde ikke noget formål eller nogen plan, men styres udelukkende af tilfældige fejl og cellernes overlevelse i deres omgivelserne. Derfor vil der altid ske en tilpasning.

    Man kan sammenligne celledelingen og den naturlige selektion med en kopimaskine, der er ved at løbe tør for blæk. Hvis man kopiere en side normalt bliver den fuldstændig identisk med den oprindelige. Når maskinen er ved at løbe tør for blæk, kan det ske, at den ikke får kopieret et ord ordentligt, eller at der forsvinder hele sætninger og linjer. Hvis dette sker, er der stor sandsynlighed for, at siden ikke giver mening, når man læser den igennem. Det kan også være, det slettede bare var  overflødige sætninger. Siden vil  være lige så god og meningsfuld, som den oprindeligt var, bare kortere. Hvis man er rigtig heldig, kan det ske, at siden bliver bedre ved at fjerne få ord og sætninger. Chancen er nok lille, men der er en mulighed for det.

    Selektion som et bioteknologisk værktøj

    Når man har sat et gen ind i en celle ved gensplejsning, og når man skal finde en usynlige bakterie i naturen, er det begge ting man ikke kan se med det blotte øje. Man har muligheden for at sekventere cellens DNA for at påvise, om man har fundet den rigtige bakterie. Processen er dog både dyr, besværlig og tidskrævende, da man kun kan godkende sit resultat, hvis man rent faktisk analyserer på den rigtige bakterie.

    Derfor er det mere praktisk at bruge cellens egenskaber til at finde den. Da forskellige bakterier har udviklet sig til at kunne leve under forskellige forhold, kan man benytte disse til at finde dem. Man har blandt andet udviklet ’Pseudomonas Isolation Agar’, som et er vækst medie, hvor det stort set kun er Pseudomonas Aeruginosa, der kan overleve.

    Når man laver gensplejsninger tilfører man ofte et antibiotikaresistent gen, ud over det gen man gerne vil have i den nye celle. På den måde kan man opdyrke bakterien sammen med en bestemt slags  antibiotika. Alle celler der ikke er gensplejset succesfuldt vil blive dræbt af det tilsatte antibiotika.

    Selektion er derfor et af de vigtigste og mest brugte værktøjer inden for bioteknologi.

    DNA fingerprints

    Hver gang en celle kopierer sig selv, sker der som beskrevet  små fejl i kopieringen. Fejlene er jævnt fordelt over hele DNA’et, både i og udenfor gener og tager ikke hensyn til at der er nogle dele af DNA’et, der næsten ikke kan ændres, før cellen dør. Selvom fejlene er tilfældige og sker over hele DNA-strengen, kan vi sige, at noget af DNA’et vil ændre sig hurtigere end resten. Hvis vi nøjes med at se på de celler, der overlever i naturen og kan replikere deres DNA, vil vi se mange ændringer i det mindre vigtige DNA, mens der vil være meget få ændringer i de vigtige dele. Hvis cellen ikke har brug for at producere et protein, under de forhold den lever, og proteinet bliver ændret eller ødelagt, vil fejlen overleve og viderebringes, når cellen senere kopierer sig selv. Da fejlen ikke påvirker cellens overlevelse, kan og vil der opstå mange af disse mutationer i genet der koder for det unødvendige protein. Man vil derfor sige, at cellens DNA ændrer sig hurtigt.

    Ser vi derimod på et gen der koder for et vigtigt protein, hvor en lille fejl kan ødelægge meget, vil næsten enhver ændring medføre, at cellen direkte dør eller bliver udkonkurreret. Fejlene kan derfor kun være få og skal derfor være de helt rigtige steder, og være de helt rigtige fejl for at cellen ikke udkonkurreres. Da cellen kun overlever hvis genet ændres på den helt rigtige måde, eller der slet ikke sker nogen fejl, vil det tage meget lang tid før at en celle skal overleve med en ændring af genet. Derfor kan man sige, at fejlene sker meget langsomt.

    Mutationerne og tilpasning kan derfor ses i lyset af arternes udvikling og den naturlige selektion. De langsomt og hurtigt ændrende dele af DNA’en vil derfor være meget påvirket af, hvilket miljø cellen befinder sig i. Eksempelvis har Pseudomonas aeruginosa har et protein der forhindre den i at blive dræbt af et bestemt anitbiotika. Hvis bakterien vokser i dette antibiotikum vil bakteriestammer der lavede fejl i det vigtige protein blive dræbt. Derfor vil man kun langsomt kunne observere små og ubetydelige ændringer i proteinet. Hvis samme Pseudomonas aeruginosa bakterie voksede ude hvor det ikke havde brug for proteinet, ville man kunne se flere ændringer i proteinet. Hvis man derimod så på andre gener i Pseudomonas aeruginosa vil vi se meget få ændringer i for eksempel Ribosomerne der laver RNA om til proteiner. Ligegyldigt hviklet miljø bakterien befandt sig i ville den ikke kunne overleve og vokse hvis den ikke kunne lave sine egne proteiner.

    Derfor benytter man sig af at analysere nogle så vigtige dele af cellens DNA, at de altid er langsomt ændrende.

    DNA fingerprints bruger kun en meget lille del af cellens DNA til at fastslå, hvor identiske to celler er. Dette er praktisk, da resultaterne kan findes hurtigt, mens der stadigvæk er meget stor sandsynlighed for, at resultatet er korrekt. Det er også denne form for test, politiet nogle gange benytter som  bevismateriale. Ved at vælge de rigtige DNA-sekvenser i det menneskelige genom, kan de ved at sammenligne noget fundet DNA på gerningsstedet og den mistænktes DNA ofte med stor nøjagtighed fastslå, at de har fanget den rigtige gerningsmand.


    Coevolution

    Den naturlige selektion optræder overalt i naturen når dyr, planter, insekter og bakterier tilpasser sig deres omliggende miljø. Disse tilpasninger kan ske på mange forskellige måder, for at nå det overordnede mål der er  at overleve. Nogle former for tilpasning kan være rettet mod at få mere afkom og mere mad, mens andre kan være forsvarsmekanismer for at sikre artens egen overlevelse. For eksempel er nogle sommerfugle bitre at spise for fugle. Sommerfuglene har udviklet deres bitterhed som en forsvarsmekanisme. Dette er dog ikke nok, for selv det at blive smagt på af en fugl betyder døden for sommerfugle. Derfor har de udviklet flotte mønstre på vingerne. Mønstrene fungerer som en advarsel til fuglene og signalerer, ”jeg smager ikke godt”!

    Da nogle sommerfugle ikke har udviklet denne form for bitterhed, benytter de sig af at kopiere de bitre sommerfugles mønstre. Man siger, at de mimer de bitre sommerfugles vinger. På den måde sender de det samme signal til fuglene. Fordi fuglene kun lærer at genkende de bitre sommerfugle ved at spise dem en gang imellem, kan de komme til at spise en ’mimende sommerfugl’ dvs. en sommerfugl der ikke er bitter, men som har mønsteret. På den måde kan fuglen komme til at tro, at sommerfugle med det pågældende mønster rent faktisk smager godt. Mønsterets betydning kan på den måde hurtigt ændre sig til at signalere ”spis mig”, i stedet for ”jeg smager ikke godt”!

    Derfor kommer der til at eksistere en slags forbundet evolution mellem de bitre og de mimende sommerfulge det der kaldes en coevolution. De mimende sommerfulge tilpasser hele tiden deres mønstre til de bitre, imens de bitre hele tiden prøver at variere deres mønster fra de mimende.

    Coevolution kan altså ses, som de tilpasninger en art vil lave, når deres omgivelser forandrer sig. Coevolution behøver dog ikke at betyde noget negativt for den ene part. Symbiotiske forhold, dvs. forhold hvor to organismer lever sammen, opstår ofte fordi den ene part, ’værten’, udvikler sig til at tiltrække den anden part, ’gæsten’. ’Gæsten’ bidrager så ved at hjælpe værten. Denne form for coevolution kan blandt andet ses hos  bierne og blomsterne. Blomsterne har udviklet en energirig og sød ’drik’, som vi kalder nektar. Den får bierne lov til at suge af, men til gengæld spreder bierne blomsternes pollen. Inden for coevolution kaldes denne form for symbiotisk hjælp til selvhjælp mutualisme.


    Evolutionskapløbet mellem medicin og sygdom

    På samme måde som de bitre sommerfugle udviklede sig for ikke at ligne de mimende, udvikler sygdomme sig også for ikke at blive påvirket af medicin mod dem. Normalt vil et antibiotikum som penicillin være dræbende for bakterier, men nogle gange kan bakterierne udvikle et forsvar. Resistens kan opstå på mange forskellige måder. Pseudomonas aeruginosa laver blandt andet en biofilm, der beskytter bakterien mod antibiotika. Andre bakterier har en egentlig resistens, hvor et antibiotikum ikke kan binde til cellen eller ikke kan gennemtrænge cellemembranen.

    Dette er et stort problem inden for den medicinske verden, da vi kun har fundet meget få antibiotika, og mange bakterier udvikler en resistens for dem. Resistensen udvikles ofte ved, at patienter ikke bliver helt helbredt efter behandlingen med antibiotika. En overlevende bakterie, der har udviklet resistens, kan så dele sig og sprede resistensen videre.

    For at sikre sig at bakterier ikke kan udvikle resistens over for antibiotika, prøver man ofte at kombinere forskellige typer til behandling af patienter. Hvis bakterien skulle være eller bliver resistent over for den ene slags antibiotika, er der meget mindre sandsynlighed for, at den bliver resistent over for den anden slags. Det er også derfor, at det er vigtigt at følge helt op på ens antibiotika-kur, så man sikre at ingen bakterier overlever og bliver resistente. Alligevel udvikler flere og flere bakterier sig til at blive multiresistente over for antibiotika.

    Det er også dette evolutionskabløb, der har betydet, at det er meget forskellige typer patogene bakterier, vi har forskellige steder i verden. I den vestlige verden opfører de fleste patogene bakterier sig opportunistisk. Bakterieinfektioner med pseudomonas aeruginosa og mange af de patogene stafylokok-arter er hyppige i vesten. Bakterierne venter med at angribe, til ’byttet’ er svækket. Svækkelsen kan være i form af cystisk fibrose, patienter med HIV eller ældre. Disse mennesker har alle et svækket eller overbelastet immunforsvar, og det gør det nemmere for de opportunistiske patogener at trænge ind.

    I mange af de fattige egne i Asien og Afrika er det en helt anden strategi, der  har givet succes hos sygdomsfremkaldende bakterier og derfor problematisk for mennesker. Her angriber bakterierne alt og alle. Denne type af bakterier kaldes for de akutte patogene. Sygdomme som tyfus, klamydia og lungebetændelse er alle akutte. Selvom de akutte bakterier i høj grad findes i Vesten har vi medicin der effektivt slår dem ihjel eller hæmmer deres spredning. Det betyder, at de har meget svære ved at overleve og konkurrere mod de opportunistiske bakterier.

    Imens den akutte bakterie bliver kureret med medicin eller af vores immunforsvar har den opportunistiske bakterie mulighed for at skabe sig en grobund, mens kroppen er svækket. Det gør den opportunistiske bakterie mere resistent over for forskellige typer medicin. Den kan sågar igennem dens egen evolution snyde kroppen, så den ikke genkender bakterien som en fjendtlig organisme. Dette trick bruger pseudomonas aeruginosa. Den mister flere af sine træk som jordbakterie, når den har levet inde i menneskekroppen Immunsystemet kan derfor ikke genkende den.

    Det er altså igennem den øgede medicinske behandling i Vesten, at bakterierne har udviklet sig til primært at være opportunistisk patogene, mens den akutte patogene udkonkurrerer den opportunistiske i tredjeverdenslande.

    Opdateret den 7. august 2017

    Ved at tage ud og finde Pseudomonas aeruginosa kan vi gøre en forskel. Forskerne på DTU bag ”Jagten på Pseudomonas aeruginosa” har tidligere set på og analyseret Pseudomonas aeruginosa-prøver. Prøverne stammede fra mucus, altså slim, fra patienter med cystisk fibrose. Rigshospitalet har indsamlet disse prøver igennem de sidste 40 år. Man har før vidst, at patienter med cystisk fibrose normalt får bakterieinfektioner igennem hele livet, men at de inden teenageårene kan slås ned med den nuværende behandling.Omkring 14-15 års alderen begynder der at opstå kroniske infektioner. I første omgang er de forårsaget af Pseudomonas aeruginosa men herefter skyldes de også andre bakteriestammer f.eks.aspergillus.Forskerne har dog fundet nogle overraskende resultater. Det har nemlig vist sig, at mange patienter der bor i et samlet geografisk område i Århus og omegn eller i Storkøbenhavn er smittet med den samme, specielle variant af Pseudomonas aeruginosa. Dette vil sige at de ikke bare er smittede, men de er smittede fra samme sted.


    Hvad er en vildtype, og hvorfor er den vigtig?

    Alle Pseudomonas aeruginosa bakterier, uanset hvor man finder den, ligner hinanden meget. Det er derfor, de alle hedder det samme. Går man i detaljer og studerer deres DNA, så kan man se, at der rent faktisk er forskel på dem. Det svarer til, at vi mennesker jo heller ikke er helt ens, selvom vi godt kan ligne hinanden – vi har ikke det samme genetiske ”fingeraftryk”.

    Den specielle variant af Pseudomonas aeruginosa, som er fundet i mange af patienternes mucus prøver, har levet og tilpasset sig livet i et miljø med cystisk fibrose igennem årtier – i hvert fald 40 år. Når en bakterie lever i et specielt miljø gennem lang tid, sker der en tilpasning ved hjælp af evolution. Faktisk sker der over lang tid forandringer i bakteriens genetiske materiale. Forskerne har kortlagt alle de forandringer, der er sket i specielle varianter af Pseudomonas aeruginosa gennem de sidste 40 år. Dette har været muligt, fordi der har været gemt mucus prøver der indeholdt bakterier i fryseren på hospitalet, som de kunne analysere.  Hvordan så denne Pseudomonas aeruginosa stamme ud, inden den begyndte at leve i cystisk fibrose-patienter? Det ved forskerne ikke – kortlægningen af de genetiske ændringer, der er opstået, peger på, at denne Pseudomonas aeruginosa stamme er begyndt at leve i cf-patienter for længere tid siden end 40 år. Den er sandsynligvis begyndt at leve i patienterne flere år før, man begyndte at gemme prøver med bakterier i fryseren. Så forskerne mangler at analysere den originale stamme, der ”hoppede” fra miljøet og ind i cf-patienternes lunger for mere end 40 år siden. Ved at lede ude i naturen kan vi måske være heldige at finde en Pseudomonas aeruginosa stamme, der er en nær slægtning til den stamme, der i sin tid tog springet ind i lungerne. En sådan stamme – en slags ”fætter eller kusine” – vil fortælle forskerne, hvordan den specielle variant af Pseudomonas aeruginosa så ud, før den flyttede ind i lungerne. En specifik variant af stammen, som den vi gerne vil finde, kaldes en vildtype.


    Hvor lever Pseudomonas aeruginosa og hvorfor?

    Når I skal ud og finde Pseudomonas aeruginosa, er det vigtigt at have noget viden om, hvordan og hvor bakterien bedst kan klare sig. Kender vi de betingelser, som bakterien klarer sig bedst under, har vi mulighed for at bruge dette til at forudsige, hvor den befinder sig.

    Ved nogle bakterier kan det være nemt at indsnævre de områder, hvor bakterien formodentligt lever i, men sådan forholder det sig ikke med Pseudomonas aeruginosa. Hvor mange bakterier er meget krævende i forhold til det miljø, de kan leve i, kan Pseudomonas aeruginosa eksempelvis leve både med og uden ilt. Faktisk skal bakterien bruge så få næringsstoffer, at man siger, at den kan gro i destilleret vand. Dette er ret specielt, da de fleste bakterier kræver et minimum af næringsstoffer og –salte, for at kunne opretholde et ”normalt” liv, på samme måde som vi mennesker har behov for mad og vitaminer.

    Pseudomonas aeruginosa viser blandt andet disse egenskaber ved, at kunne leve i det vi ellers anser for sterile miljøer på hospitaler. Desuden er den god til at tilpasse sig mange forskellige fysiske påvirkninger. Den kan leve ved meget varierende temperaturer, den er også modstandsdygtig i forhold til at overleve høje koncentrationer af salt, som ellers ofte er meget ødelæggende for mange bakterier.

    Normalt er Pseudomonas aeruginosa en jordbakterie som mange andre bakterier, men da den er god til at tilpasse sig mange forskellige miljøer, finder man den også mange andre steder. For eksempel findes den ofte i afløb fra brusere og håndvaske. Et af de særlige kendetegn ved bakterien er, at den trives særligt godt i et fugtigt miljø, hvilket formodentligt stammer fra dens evolutionære fortid som jordbakterie. Desuden gror bakterien bedst i et lunt miljø, ved omkring 37° C.


    Bakteriens tilpasning til kroppen

    Når en patient med cystisk fibrose bliver smittet med Pseudomonas aeruginosa, sker det af flere grunde. Cystisk fibrose-sygdommen bevirker, at det indre ”rensningssystem” i næse, hals og lunger ikke fungerer. Derfor bliver bakterierne ikke transporteret ud af kroppen, som de ellers skulle. Dette bevirker, at immunforsvaret går i gang med at forsøge at bekæmpe de indtrængende bakterier.

    For Pseudomonas aeruginosa-bakterien er vores lunger et fantastisk sted at gro. Kropstemperaturen er den optimale temperatur for bakterien at gro i. Det er desuden dejlig fugtigt inde i lungen, og der er god mulighed for at samle næringsstoffer op fra andre celler. Pseudomonas aeruginosa skal dog stadig snige sig uden om kroppens immunforsvar, hvis den vil gro uden problemer. Dette sker blandt andet ved at danne et skjold af biofilm. For at biofilmen kan være effektiv kræver det, at der er mange bakterier sammen om at danne det.

    For at overleve immunforsvaret bruger Pseudomonas aeruginosa sine egenskaber til hurtigt at tilpasse sig nye miljøer for at overleve. Når bakterien er kommet ind i kroppen, begynder den en udvikling, hvor den mister flere af de egenskaber, der gjorde den til en velfungerende jordbakterie. Herefter opbygger den en kappe af biofilm.

    Immunforsvaret er opbygget til at kunne genkende specielle fremmede organismer, der kommer ind. Dette kan både være vira eller andre celler. For at forhindre immunforsvaret i at angribe kroppen selv, bliver det trænet i at kunne genkende fremmedlegemer. Dette sker ved, at dele af immunforsvaret undersøger, om en celler ligner en jordbakterie. Da Pseudomonas aeruginosa forandrer sig inde i kroppen, bliver det mere vanskeligt for vores indre forsvar at genkende og dræbe de indtrængende Pseudonomas aeruginosa-bakterier. Derfor har bakterierne tid til at kunne gro sig til store kolonier, hvor de kan blive yderligere beskyttet af et skjold af biofilm.

    Når først bakterierne har etableret et beskyttende biofilm-lag, kan det være så godt som umuligt at dræbe bakterierne med medicin som antibiotika. Får cystisk fibrose-patienterne først en kronisk infektion med Pseudomonas aeruginosa, så er der en højere risiko for at dø tidligere end normalt. Derfor er et andet vigtigt aspekt af projektet, at undersøge de Pseudomonas aeruginosa vi kan finde i naturen for at kunne udvikle medicin, der gør det muligt for immunforsvaret at genkende Pseudomonas aeruginosa på en anden måde end ved, at den er en jordbakterie.

    Antibiotika og antibiotika resistens

    Et antibiotikum (i flertal antibiotika) er en kemisk forbindelse, der virker på nogle mikroorganismer. Enten dræber stoffet mikroorganismerne, og ellers hæmmer det deres vækst. Da der er store forskelle på bakterier (prokaryote celler) og dyre/planteceller (eukaryote celler), kan dette bruges til at sikre, at kun bakterier bliver ramt. Derfor kan antibiotika dræbe bakterier inde i vores krop, uden at vores egne celler bliver skadede.

    Antibiotika virker for eksempel ved at trænge ind i bakterier og ødelægge deres cellevægge eller forhindre dem i at skabe lipider, så de ikke kan lave en cellemembran. De kan også ødelægge bakteriernes proteinsyntese eller forhindre dem i at kopiere deres DNA. Fælles for det meste antibiotika er, at det skal ind i bakterierne for at dræbe dem eller hæmme deres vækst.

    Derfor kan der også udvikles forskellige former for resistens. Dette kan for eksempel gøres ved at pumpe antibiotikum ud af cellen, ved at ændre dets struktur eller ved at nedbryde det. Bakterier, der danner en biofilm, bliver også resistente over for antibiotika, da det ikke kan trænge igennem biofilmlaget for at komme ind til bakterierne. Man benytter sig meget af antibiotika-resistens til at selektere for succesfuld gensplejsning.

  • Forsøgsvejledning

    Forsøgsvejledning

    OBS: Har du Cystisk Fibrose bør du under ingen omstændigheder deltage i forsøget eller befinde dig i nærheden af PIA plader.

    Isolation og identifikation af Pseudomonas aeruginosa

    I denne øvelse skal i ud i jeres lokalområde for at finde bakterien Pseudomonas aeruginosa. Vi prøver at finde vildtypen af den bakterie,der smitter patienter med Cystisk Fibrose. På den måde vil vi identificere de værste smittekilder. Vi vil kunne bruge resultaterne i medicinsk forskning og til forebyggelse, så det bliver nemmere at undgå infektioner med Pseudomonas aeruginosa.

    Det anbefales, at teorimaterialet der hører til dette eksperiment, læses forud for eksperimentet. Det er desuden en god ide at læse og forstå alle instruktioner, før I går i gang med forsøget.

    Materialer:

    Petriskåle med agar med 2 forskellige vækstmedier:

    • Luria-Bertani (LB, det normale vækst medie)
    • Luria-Bertani med Pseudomonas Isolation Agar og Ampicilin (PIA, et Pseudomonas isolerende medie)

    Vatpinde

    Elektrikertape

    Bakterielokationer:

    • Baderum (fra afløb)
    • Baderum (fra badekar, brusekabine)
    • Køkken (fra vask)
    • Køkken
    • Jordprøve (skov)
    • Jordprøve (mark)
    • Afløb
    • Vandbeholder
    • Vandløb
    • Sø eller å
    • Friske grøntsager (svampe, spirer)
    • Friske grøntsager
    • Frisk frugt


    Metode:

    1. I skal være sammen i grupper på mellem to og tre personer.
    2. Hver gruppe tildeles et eller to af stederne fra listen over bakterielokationer, så klassen tilsammen får samlet en prøve fra hvert sted mindst én gang. Yderligere skal I selv vælge andre steder, som I vil undersøge. Det må gerne være steder  på listen, men det kan også være  andre steder. Opstil en hypotese: Tror I, at der vil være mange eller få bakterier, de steder I i undersøger. Tror I, at I vil finde Pseudomonas Aeruginosa?
      • Det er vigtigt at holde styr på, hvor ens prøve er taget fra og i hvilket miljø. Det kan have stor indflydelse på bakteriens mutationer, om den er taget på badeværelset,  i haven eller hvilken sø den kommer fra. Det kan derfor være en fordel at udskrive  kort over lokalområdet, så I kan notere præcist hvor jeres prøve er taget.
    3. Når I har fundet en lokation, I vil tage prøven på/fra, finder I to agar plader frem. Den ene skal være være LB. Den anden skal være en PIA. Før prøverne tages, skal I notere, hvor prøven er taget under note på klistermærket så i senere kan finde stedet på et kort. I skal tage den ene af petriskålene I jeres ene hånd med agar-siden nedad. En vatpind gnides mod den overflade, I vil tage prøven fra. Petriskålens låg åbnes lidt op, og vatpinden stryges i et zikzak mønster hen over agarens overflade. Det skalkunne ses, hvor I har strøget vatpinden over agaren, men I skal ikke trykke så hårdt, at vatpinden ødelægger agarfladen eller går igennem den. Låget sættes igen på pladen, og den forsegles med tape.
    4. Dette gentages med en ny vatpind og den anden petriskål, så I har en skål med både LB og PIA, hvor der er bakterier i.
    5. Når prøverne er indsamlet stilles de i vindueskarme, hvor de gror frem og bliver tydelige i løbet af 1-3 dage. Petriskålene skal stå med agar og klistermærke i toppen, altså med låget i bunden.
    6. Herefter går i ind på vores forsøgssite hvor I markerer, hvor jeres prøver er blevet taget. I får herefter et prøve nummer udleveret øverst i den fremkommende browser med jeres indtastede oplysninger. Nummeret skrives på både LB pladen og PIA pladen der er taget fra samme sted.

    Til et videnskabeligt forsøg er det også vigtigt, at kunne gennemskue hvilke fejlkilder man har haft undervejs. Det kan man blandt andet gøre ved at lave en blindprøve. Blindprøven er en blank prøve. I jeres tilfælde er det en agarplade med medie , som I har podet med en vatpind, der har været opbevaret ligesom de andre vatpinde, men ikke brugt. På den måde kan man se, om der er kommet mange bakterier med fra vatpindene i bruger i jeres forsøg. I vil desuden formodentligt se en del svampe på jeres prøver. Svampe gror meget langsommere end bakterier, og ofte vil bakterier derfor udkonkurrere svampe. Men svampe er eukaryote celler så de bliver ikke påvirket af antibiotika.

    Tips til indsamling af prøver:

    Når man arbejder med bakterier, er det vigtigt at arbejde så rent som muligt. Hvis man ikke arbejder sterilt, kan der kommer andre bakterier på petriskålene, end dem man ønsker. Agarpladerne og vatpindene skal derfor holdes væk fra andre bakterier. At opbevare dem i en ren og ubrugt plastikpos f.eks. en frysepose vil holde rene. Agarpladerne skal opbevares i lukkede poser, og man skal kun røre ved pladerne udvendigt. Det er desuden en god ide kun at løfte låget på petriskålen en lille smule, når man skal pode den med bakterier. På den måde kommer den i kontakt med så få bakterier fra luften som muligt.

    Nu skal bakterien findes!

    Når prøven tages, skal man tænke på, at alle bakterier godt kan lide en smule fugt. Pseudomonas Aeruginosa ingen undtagelse. Det betyder, at hvis man tager prøver fra en knastør jordoverflade, vil mængden af levende bakterier være meget lav. Det kan være en god ide at overveje, hvilke andre forhold der skal være til stede, for at man kan findePseudomonas Aeruginosa, men også  andre bakterier.

    Tænk over hvilke steder du kan forestille dig, at bakterier og isærPseudomonas Aeruginosa vil være hyppigt forekommende – for eksempel kompost, skovbund, trærødder eller vandløb.

    Forholdsregler

    Må man tage prøver ved?

    1.       Alle former for døde dyr samt jord eller lignende, der har været i kontakt med døde dyr.

                        NEJ.

    2.       Afføring fra mennesker eller andre sekreter eksempelvis spyt, snot, ørevoks mm..

                        NEJ.

    3.       Afføring fra ådselædende dyr  f.eks katte, hunde, ræve mm..

                        NEJ.

    4.      Må jeg deltage i forsøget, hvis jeg har Cystisk fibrose?

    NEJ. Vi ønsker ikke at udsætte dig for unødig kontakt medPseudomonas Aeruginosa. Da vi i forsøget prøver at dyrke patogene bakterier, vil det kunne være sygdomsfremkaldende for dig, at deltage i jagten.

    Efter forsøget

    Efter 3+ dage, skal I analysere jeres resultater. I hvilke petriskåle  er der meget vækst, og i hvilke  er der lidt? Fik i resultater, der lignede dem, I havde opstillet i jeres hypotese? Hvorfor tror I, at I havde ret?/Hvad kunne forklaringen på, at I forventede noget anderledes. I skal lave en poster/planche, der beskriver jeres forsøg , hvad I har fået ud af det til talentkonferencen, der afholdes på DTU.

    Prøverne, der gros på PIA-plader, sendes ind til DTU for videre undersøgelser. Indskriv desuden jeres resultater på hjemmesiden. Undersøgelserne på DTU skal klarlægge, om der er tale om Pseudomonas aeruginosa, eller om den isolerede bakterie er fra en anden Pseudomonas-stamme. Analyserne bruges til at forstå og forudsige bakteriernes evolution. Denne viden vil forhåbentligt kunne bruges medicinsk til at forhindre kroniske Pseudomonas aeruginosa infektioner i patienter med for eksempel Cystisk Fibrose.