Bakterier og Vira – miltbrand og ebola

Denne underside udgør tredje del af teorien for Biotech Academys materiale om Immunforsvaret.

For godt 3 milliarder af år siden havde “liv” en anden betydning, end det har i dag. Dengang bestod alt liv af encellede mikroorganismer – Prokaryoter. Disse organismer har langsomt udviklet sig og tilpasset sig til forskellige miljøer og levemåder. Som medfølge opstod de tre evolutionsgrene, som vi kender i dag.

Den ene af disse grupper er bakterier, som også går under betegnelsen prokaryoter, der direkte oversat fra græsk betyder ”før-kerne”. Denne gruppe er encellede organismer, der er kendetegnede ved, at cellens arvemateriale, DNAet, flyder frit i cellen i stedet for at findes i en cellekerne. En anden gruppe er eukaryoterne, hvis navn betyder ”ægte kerne”. Det er den type celler, som mennesket er opbygget af. Cellerne indeholder en afgrænset cellekerne samt mange andre afgrænsede områder med specialiserede funktioner. Til denne kategori hører også planteceller, gær og svampe. Den tredje gruppe er arkæerne, som er en slags midtergruppe, og i denne kategori findes ofte mikroorganismer, som kan leve under ekstreme forhold fx ved meget høje eller lave temperaturer.

Svampe er den tredje store gruppe mikroorganismer. Hvis mikroorganismer er i stand til at gøre mennesker syge – de er sygdomsfremkaldende – kalder man dem patogener. Det er umuligt at leve en tilværelse uden at støde på mikroorganismer eller patogener. I denne artikel vil bakterier og vira blive beskrevet.

Bakterier

Vi møder konstant bakterier i vores hverdag, og det er heldigvis ikke alle, der er sygdomsfremkaldende. Mange af dem har vi endda god nytte af at leve sammen med, fx for at kunne fordøje mad ordentligt, og for at holde andre sygdomsfremkaldende bakterier væk.

Selv om bakterier er så små, at der skal mikroskoper til, for at en enkelt bakterie skal kunne ses, foregår der en enorm fysiologisk aktivitet inde i bakterierne, og nogle typer har endda udviklet en metode til at kunne kommunikere med hinanden og kontrollere deres vækst – en metode kaldt quorum sensing.

Bakterier navngives efter den slægt, de tilhører, og slægten er underinddelt i arter. Derfor har bakterier to navne som altid skrives med kursiv. Således tilhører miltbrandbakterien Bacillus anthracis (B. anthracis) en overordnet slægt med navnet Bacillus, som indeholder mange bakterier. Den miltbrandfremkaldende bakterie er af arten anthracis.

Figur 8. Opbygningen af en bakterie. Man ser det kerneløse cytoplasma omgivet af flere lag: cellevæg, kapsel og plasmamembran. Flagellen bruger bakterien til bevægelse.

 

Som alle andre bakterier er B. anthracis opbygget af cytoplasma, hvori dens DNA findes i en sammenrullet kromosomstruktur kaldt et nukleoid. Cytoplasmaet består af en vandig del kaldt cytosol og af nogle uopløselige partikler, hvoraf ribosomerne, der laver proteinsyntesen, udgør den vigtigste del. Cytosolen er omkranset af cellemembranen, som muliggør begrænset ind- og udtransport af kemiske stoffer. I membranen sidder udvalgte transportproteiner, og bakterien kan på den måde selv bestemme, hvad der skal ind i cellen, og hvad der skal holdes ude.

Cellemembranens vigtigste funktion er at holde på cellens indhold af proteiner og DNA. Men i bakterier har den også en anden funktion, idet energien til cellevækst bliver genereret i membranen, da den indeholder en lang række ionkanaler som gør det muligt for specifikke ioner at krydse membranen.

B. anthracis tilhører gruppen af grampositive bakterier.
Gramfarvning 
er en meget anvendt metode til inddeling af bakterier på baggrund af deres cellemembran. De grampositive bakterier har kun én cellemembran (plasmamembran). De er derudover omsluttet af et lag af peptidoglykan, som består af lange kæder af carbonhydrater bundet sammen af korte proteinkæder. Laget fungerer som en slags kapsel. Det er dette peptidoglykan-lag der bliver farvet af ”gramfarvning”. De gramnegative bakterier har både en indre og en ydre cellevæg. De har imellem de to lag også en peptidoglykan-lag men dette er langt tyndere end hos de grampositive, og bliver derfor ikke så godt farvet. Den yderste membran består hovedsageligt af sukkerholdige lipider, kaldt lipopolysakkarider (LPS) – se figur 9. LPS er en type molekyler, som mennesket ikke har. Det er med andre ord fremmed, og det kan derfor fungere som antigen for immunforsvaret. Det er endda så etaberet som antigen, at selv det uspecifikke medfødte immunforsvar kan genkende og reagere på det.

Figur 9. Denne figur viser forskellen mellem gramnegative og grampositive cellers membran. Grampositive har kun én plasmamembran og et ydre peptidoglykan-cellevæg, mens de gramnegative har to plasmamembraner og kun en mindre peptidoglykan-væg i mellem de to.

 

Et særligt kendetegn ved B. anthracis, som også gør den særligt anvendelig som biologisk våben, er, at den har mulighed for at danne sporer. Dette er en særlig, hvilende form af bakterien, hvor der ikke foregår noget nævneværdigt stofskifte, men hvor den har mulighed for at overleve i flere tusinde år selv under meget ekstreme forhold bl.a. ved høje temperaturer og ved høje koncentrationer af ellers for bakterien giftige stoffer. Når forholdende igen bliver gunstige for vækst, vender sporerne tilbage til normal levevis og kan herefter fremkalde sygdommen miltbrand.

I historien er der ofte beskrevet områder eller huse, som var forbandede, bl.a. de gamle Egyptiske gravkamre, hvor indtrængende personer tit blev dødeligt syge. Mange mener i dag, at denne ”forbandelse” ikke skyldes overnaturlige kræfter, men nok nærmere sporedannende bakterier, som har overlevet i århundreder.

B. anthracis findes forholdsvis ofte i kvæg, men overføres kun herfra til mennesker gennem rifter i huden eller ved direkte indtag. Mange dyr bliver vaccineret mod miltbrand, men det er dog ikke alle steder i verden, dette er muligt, og her opstår der med jævne mellemrum pludselige dødsfald hos kvæg. På grund af bakteriens mulighed for at danne sporer, der har en lang levetid, har der været tilfælde med kontamineret landbrugsjord, der måtte renses for bakterien, da det ellers ville tage mange år før jorden kunne bruges igen.

Hvis mennesker indånder sporer vil bakterierne genopvækkes og formere sig i lungerne. Her er det forholdsvis let for bakterierne, at blive overført til blodbanen og derved resten af kroppen. Det var på denne måde, at medie- og postarbejdere samt politikere blev syge eller døde i USA i 2001, hvor der blev sendt breve indeholdende B. anthracis sporer. Der døde 5 personer mens 17 blev syge.

Bakterien dræber både dyr og mennesker ved at udskille et giftstof, som består af tre proteiner. Det interessante er, at disse tre proteiner er afhængige af hinanden og således ikke virker alene. Det ene protein bruges til at få de to andre ind i cellerne, hvor disse herefter kan gøre skade. Giftstoffet gør, at bakterien kan dræbe makrofagerne, der som nævnt har til opgave at fagocytere og tilintetgøre fremmede mikroorganismer. Herved har B. anthracis mulighed for at undslippe immunforsvaret. Ligeledes angriber bakterien også endotelceller, som er et tyndt lag flade celler, der dækker de indre overflader i blod- og lymfekar samt hjertet og andre væskefyldte hulrum. Dette fører til indre blødninger, og patienten dør i løbet af få dage.

Miltbrand er frygtet som biologisk våben, da det er en infektion, der kan have dødelige følger for store dele af befolkningen. Det skete eksempelvis under krigene i det tidligere Zambia og Zimbabwe i 1970’erne, hvor mange mennesker og dyr døde som følge af smitte. Både den amerikanske og engelske hær tager jævnligt forholdsregler ved at lade deres soldater og andre militærfolk vaccinere.

 

Antibiotika

Antibiotika er medicin, der selektivt dræber mikroorganismer. Stofferne udnytter, at der er forskel på fx bakterier og menneskeceller således, at de kun rammer molekyler og processer, der er specifikke for bakterier. Derved forbliver stofferne i selv store koncentrationer ugiftige for mennesket men dødeligt for mikroorganismen. Antibiotika dækker også over anti-virale, anti-parasitære og anti-svampe midler.

Penicillin var det første antibiotika der blev produceret, og er et godt eksempel på hvordan antibiotika fungerer. Penicillin udnytter, at de grampositive bakterier skal opbygge et peptidoglykan-lag, som menneskeceller ikke har. Stoffet hæmmer denne cellevægs opbygning, hvorved bakterievæksten bremses. Pencillin virker af samme grund bedst på grampositive bakterier – som fx miltbrandbakterien.

 

Vira

Vira er specielle mikroorganismer, idet de er utroligt simple. De består næsten ikke af mere end arvemateriale – enten i form af DNA eller RNA. De er derfor afhængige af, at inficere andre celler, da de ikke selv kan reproducere sig.

Når en virus inficerer en celle, som både kan være dyre- og planteceller, reproducerer den sig inde i den inficerede celle ved at overtage værtens protein-produktionsapparat. Det betyder, at værtscellen udtrykker de proteiner, som virussens DNA eller RNA koder for, og derved dannes der nye virus-partikler. Når der har ophobet en vis mængde virus-partikler inde i cellen, vil cellen dø, og vira frigives til omgivelserne – fx til blodet, hvorefter nye celler kan inficeres. Antallet af viruspartikler i blodet kan bruges til at følge udviklingen af en virusinfektion.

Infektion med en virus sker først og fremmest ved, at viruspartikler overføres fra et menneske til et andet, oftest igennem luftvejene. Herefter er der flere trin, der i sidste ende transporterer viruspartiklen ind i en værtscelle. Det første trin indebærer fastsættelse på værtscellen. Dette sker ofte ved en tilfældig kollision. Immunforsvarets celler samt fysiske barrierer som fx slimlag forhindrer til en vis grad kollision. På kroppens celler findes en lang række receptorer. Det er overfladeproteiner, og nogle af disse modtager molekyler fra omgivelserne og flytter dem ind i cellen. Mange vira har udviklet sig til at genkende og binde disse receptorer. På denne måde kan de nemt blive transporteret ind i cellen. Når virussen er inde i cellen, smider den sin kappe, hvorved dens DNA (eller RNA) blottes. Dette gøres på mange forskellige måder, alt afhængig af hvilken slags virus der er tale om. For nogen vira gælder det, at de indeholder deres egen DNA-oversætter (en RNA-polymerase), som danner et specielt protein, der er med til at fjerne dens kappe. Først herefter frigøres dens DNA til videre arbejde ved værtscellens maskineri.

Ebola er et eksempel på en virus. Ebola menes at komme fra flagermus og består af en RNA-streng omgivet af fedtmolekyler, der hjælper den med at komme igennem værtscellernes cellemembraner. Hos en inficeret person findes virussen i alle kropsvæsker, hvilket gør virussen ekstremt smitsom. Efter en inkubationstid på op til 25 dage præsenterer infektionen sig med feber, muskelsmerter, mavesmerter, kvalme og diarré. Den lange inkubationstid hvor de inficerede ikke ved, at de er smittet, kombineret med en høj smitsomhed, gør at sygdommen hurtigt kan sprede sig. Infektion med Ebola er meget farlig, da der endnu ikke eksisterer en god behandling. Dødeligheden er således på op til 90% af de inficerede, og skyldes organskader og blødningsforstyrrelser. Forskere over hele verdenen arbejder intensivt på at finde en effektiv behandling enten i form af en vaccine (aktiv immunisering) eller virksomme antistoffer (passiv immunisering). Det er dog utænkeligt at sygdommen bliver helt udryddet, da den stadig vil eksistere i værten – frugtflagermus. Du kan selv prøve kræfter med at udvikle antistoffer mod Ebola i Biotech Academys virtuelle laboratorium.

Et andet eksempel på en virus er koppevirus, der som naturligt forekommende mikroorganisme ellers er udryddet. Der findes to former for koppevirus: Variola major og Variola minor, hvoraf V. major er den mest dødelige med op til 50 % dødelighed. Den kan kun smitte mellem mennesker og overføres via dråber, som indåndes fra en anden person, fx fremkommet ved hoste eller tale. Infektion med koppevirus har en inkubationstid på ca. 4-14 dage, hvorefter der opstår almindelige influenzalignende symptomer som feber og hovedpine. Herefter går virussen over til at inficere celler i hele kroppen, hvor især hudceller angribes, hvilket giver anledning til væskeholdige blærer på huden. Kopper kan kun inficere mennesker, og er et eksempel på en sygdom der er blevet udryddet af den moderne lægevidenskab. Efter et intensivt vaccinationsprogram kunne WHO erklære den for udryddet i 1979, og man er siden holdt op med at vaccinere imod den. Det siges at kopper-virus nu kun findes to steder i verden: i amerikanske og i russiske laboratorier, og af samme grund frygter nogle, at den kan blive brugt som biologisk våben imod en ikke-vaccineret befolkning. De eneste der stadig får eller bliver tilbudt vaccine imod kopper er ansatte i den amerikanske hær.

De fleste antibiotika virker ved at forhindre mikroorganismernes cellulære mekanismer i at virke, men eftersom vira ikke har deres eget stofskifte, er det kun muligt i ringe grad at bekæmpe vira med antibiotika. Dette gør vira til særligt farlige mikroorganismer. Derimod kan vaccination ofte være en effektiv forhindring af sygdomsudbrud. Du kan læse mere om Symphogen A/S’s rolle i sygdomsforebyggelse og under et potentielt terrorangreb i de følgende artikler.

 

Læs mere:

På netbiologen.dk kan du læse om virus.
Du kan læse mere om miltbrand her.

Du kan finde information om biologisk krigsførelse på disse sider:
Om biologiske våben fra netdoktor.dk 
Om miltbrandangrebene i det amerikanske i postvæsen 2001.

Figur 10. Figuren viser, hvordan en virus replikerer sig selv inde i en værtscelles kerne (sorte cirkel). Ved at sætte sine DNA eller RNA (røde prikker) ind i værtscellens DNA, kan virussen udnytte cellens normale proteinproduktion til at replikere sit virale DNA gener og dermed danne nye viruspartikler.