En ny biologisk sensor baner vejen for nye typer antibiotika og bæredygtig biologisk produktion af vitaminer.
Forskere fra The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU Biosustain, på DTU og startup-virksomheden Biosyntia har udviklet et molekylært sensor-system – en biosensor – som sladrer om bakteriers transport-proteiner.
Transport-proteiner sidder i cellers overflade og sørger aktivt for, at visse molekyler bliver fragtet ind og ud af cellen. Transport-proteiner er ekstremt interessante at undersøge for at forstå, hvordan eksempelvis tarmens bakterier udveksler næringsstoffer og på den måde påvirker vores tarmsundhed.
Ved hjælp af biosensoren fandt forskerne 25 nye og hidtil ukendte bakterielle transport-proteiner, som transporterer vitamin B1. Nogle sygdomsfremkaldende mikroorganismer kan ikke selv fremstille B1 og andre vigtige vitaminer og er afhænger af at optage stofferne fra omgivelserne. Forskningen viste, at bakterien Helicobacter pylori, der forårsager mavesår og mavekræft, er i den kategori.
”Med denne viden, vil man formentligt kunne udvikle nogle stoffer, som kan blokere transport-proteinerne, så sygdomsfremkaldende bakterier som H. pylori ikke kan overleve,” siger Hans Genee, hovedforfatter til artiklen og medstifter af biotekfirmaet Biosyntia.
Det omfattende studie er nu blevet offentliggjort i det velansete tidsskrift Nature Chemical Biology.
Tarm- og jordbakterier gemte på nye proteiner
"Med denne viden vil man formentligt kunne udvikle nogle stoffer, som kan blokere transport-proteinerne, så sygdomsfremkaldende bakterier som H. pylori ikke kan overleve"
ph.d. Hans Genee
Biosensoren fungerer ved en såkaldt riboswitch, som forskerne sender ind i en celle. En riboswitch består af RNA – ”mellemmanden” mellem gener og proteiner – som kan tænde og slukke for bestemte gener.
Forskernes kunstige riboswitch var designet til at binde B1-vitamin (thiamin), men kun når koncentrationen af B1 var meget høj i cellen. Bindingen af B1 aktiverede to gener, der giver resistens over for antibiotikaene kloramfenikol og spectomycin.
I en række forsøg screenede forskerholdet millioner af Escherichia coli-bakterier, der både indeholdt riboswitchen og et tilfældigt stykke fremmed DNA fra tarm- og jordbakterier. Tarmbakterierne er interessante for menneskets sundhed, men desværre kan størstedelen ikke dyrkes og dermed ikke undersøges i laboratoriet. Den nye metode er derfor en nøgle til at forstå dette hidtil ukendte landskab.
Næste skridt var at dyrke E. coli-cellerne på vækstplader med B1-vitamin, kloramfenikol og spectomycin. På den måde overlevede kun de celler, som kunne optage B1 via et transport-protein, hvilket aktiverede riboswitchen og derved gjorde bakterierne resistente over for de to antibiotika. Resten af bakterierne voksede ikke. På den måde sladrede riboswitchen om, at et transporter-protein havde været på færde i den specifikke celle.
”Ved at se på den specifikke celles nye DNA-stykke, kunne vi således identificere hvilket gen der kodede for transport-proteinet. Og det har ingen andre kunnet før os,” siger professor og medforfatter Morten Sommer fra DTU Biosustain.
Bakteriers samspil er vigtigt for sundheden
Problemet for forskerne har hidtil været, at transport-proteiner har været svære at identificere – på trods af en stor forskningsmæssig indsats. Faktisk er funktionen af ca. 75 pct. af alle mikroorganismers transport-proteiner stadig ukendt.
”Når man kigger i bakteriers DNA, er det ret tydeligt, at der findes nogle gener, som ser ud til at kode for transport-proteiner. Men udfordringen har indtil nu været at komme fra gen til funktion for transport-proteiner,” siger Morten Sommer. Han fortsætter:
”Opdagelsen af transport-proteiner er vigtig for at forstå, hvordan bakterier kommunikerer med hinanden i fx tarmen, hvor nogle mikrober udskiller vitaminer og vigtige aminosyrer, og andre optager dem. Når vi forstår sammenspillet, kan vi begynde at kurere tarmsygdomme og infektionssygdomme med helt nye typer antibiotika, der rammer andre mål end tidligere.”
Vitaminer skal fremstilles biologisk
Biotekfirmaet Biosyntia arbejder på at designe bakterier til at producere vitaminer. I dag fremstilles langt størstedelen af vitaminer i vitaminpiller ved såkaldt kemisk syntese, der belaster miljøet i langt højere grad end ved biologisk fremstilling.
Men for at få specialdesignede celler – cellefabrikker – til at fremstille vitaminerne biologisk, må forskerne designe bakteriernes arvemasse. Det kræver millioner af forskellige celle-varianter for at finde det perfekte design. Og her er den nye biosensor en revolution, fordi det også kan bruges til at måle på cellens evne til at producere vitaminet selv.
”Før den her metode kunne vi måske analysere 100 bakterier om dagen for deres vitamin-produktion i en relativt dyr metode kaldet HPLC. Nu kan vi teste 100 millioner bakterie-kloner på én dag i en petriskål til fem kroner, hvor kun de bedste celler vil dukke op på pladen. Så i stedet for at lede efter en nål i en høstak, brænder vi høstakken af,” siger Hans Genee.
Næste skridt er at finde flere ukendte proteiner og undersøge, hvordan de virker – og forhåbentligt finde nye antibiotika, der kan blokere bakteriernes livsvigtige transport-kanaler.
Andre forskere har tidligere prøvet at udvikle lignende systemer, men har fået mange falsk-positive resultater: Altså bakterier, der vokser op på pladen uden at indeholde et interessant, nyt gen. Men ved at koble to antibiotikaresistens-gener til systemet i stedet for et, undgik forskerne falsk-positive bakterie-kolonier.
For at vise, at biosensoren ikke kun kunne måle på vitamin B1, konstruerede forskerne en tilsvarende biosensor, der tændte ved høje mængder xanthin – et vigtigt mellemprodukt i blandt andet koffein. Forskerne viste således, at biosensoren også virker for andre stoffer og dermed kan bruges til at undersøge bakteriers afhængighed af flere forskellige næringsstoffer.