Artikkel

Bakterier danner avanserte samfunn i biofilmer

Denne biofilmen med Bacillus cereus-bakterier er ca. 0,1 mm. høy.
Konfokal-mikroskopfoto av en ca. 0,1 millimeter høy biofilm med Bacillus-bakterier. Biofilmen har soppformede strukturer som står opp fra underlaget. Levende celler er vist i grønt, døde i rødt. Bruk bildet.

Bakterier danner avanserte samfunn i biofilmer

De danner organiserte samfunn som forårsaker glatte steiner, plysj på tenna og alvorlig sykdom - og lager biofilmer som beskytter dem mot antibiotika.

– Det er ganske vanlig å tenke på bakterier som grupper av enkeltceller som «svømmer» rundt for seg selv, men bakteriene er mer avanserte enn som så. Mange bakterier danner nemlig bakteriesamfunn eller biofilmer., forteller Ole Andreas Løchen Økstad, som er professor ved Farmasøytisk institutt ved UiO og leder en forskergruppe som forsker på slike filmer.

Forskergruppen som studerer biofilmenes avanserte samfunn

Forskerne som studerer Bacillus-biofilmer. Fra venstre: stipendiaten Sarah Finke, overingeniør Ewa Jaroszewicz, stipendiat Veronika Smith, professor og gruppeleder Ole Andreas Økstad. Masterstudentene Ikram El Habbach (masterstudent), Rojin Koosha og Mimmi Jingxi Zhang var ikke tilstede da bildet ble tatt. Foto: UiO

– Mye tyder på at biofilmene er mange bakteriers opprinnelige og naturlige levemåte og ble utviklet for mer enn 3 milliarder år siden, sier han.

Den jordlevende bakterien Bacillus subtilis kan danne en av de biofilmene som er best kartlagt. Det finnes i alle fall fem-seks ulike celletyper i en biofilm med B. subtilis-bakterier.

Biofilmer kan bestå av én enkelt art bakterier, eller av mange ulike arter. Fellestrekket er at noen av bakteriene har oppgaven med å produsere den karakteristiske substansen som omgir cellene i biofilmen, og som forskerne kaller ekstracellulær polymer substans (EPS).

– Substansen består ofte av en blanding av polysakkarider og andre polymerer, som proteiner og DNA fra døde bakterier. Alt dette fungerer som et slags lim. Biofilmens utvikling starter som regel ved at enkeltceller slår seg ned på en fast overflate og binder seg til den. Der vokser de og deler seg, og de begynner etterhvert å signalisere til hverandre.

– Dermed blir det dannet en mikrokoloni som begynner å produsere EPS, og etter hvert begynner cellene å differensiere til ulike subtyper slik at de kan utføre ulike oppgaver, forteller Løchen Økstad.

Kannibaler og tunnel-byggere

I biofilmer med bakterier av arten Bacillus subtilis har forskerne funnet flere ulike celletyper. De har for eksempel funnet matrix-celler, som produserer EPS for hele biofilmen.

I tillegg har de funnet kannibalceller som dreper egne «søsken»; andre celler som kan ta opp DNA fra døde bakterier (transformasjonskompetente celler); og atter andre celler som lager tunneler i biofilmen.

Tunnelene brukes til å frakte næringsstoffer inn til bakteriene som skjuler seg inne i filmen, og til å frakte avfallsstoffer ut.

Bacillus subtilis lager biofilmer som også inneholder sporer, det vil si inaktive bakterieceller som har kapslet inn sitt eget DNA bak et nærmest ugjennomtrengelig lag av proteiner og membraner. Slike sporer kan overleve svært kraftig kjemiske og fysiske belastninger, forteller Løchen Økstad.

Bacillus subtilis lever forresten ikke bare i jord – den kan også leve på gress og i høy. Dessuten slår den seg gjerne ned i menneskers og andre dyrs fordøyelseskanal, hvor den stort sett oppfattes som harmløs.

Sleipe steiner dekket av biofilm

Mens mennesker danner samfunn hvor arbeidsoppgavene er delt mellom jordbrukere, håndverkere, kontorarbeidere, politifolk osv., danner altså bakteriene samfunn hvor oppgavene er fordelt etter andre prinsipper.

biofilmer

  • Belegg av bakterier i en egenprodusert matriks av polysakkarider, proteiner og/eller DNA fra bakteriene, festet til et underlag.
  • I en biofilm er bakteriene mindre sensitive for antibiotika og for det normale immunforsvar enn når de er frittsvømmende enkeltceller.
  • Biofilm kan dannes blant annet på tenner, i lunger (f.eks. cystisk fibrose-pasienter), på katetere eller kirurgiske implantater, i vannrør og i kjøletårn. Biofilm er også bidragsyter til glatte steiner langs vann og bekker.

Men begrunnelsen er noe av den samme: Menneskene bygger samfunn og bakteriene bygger biofilmer, for å gjøre det enklere å overleve i et miljø som kan være krevende.

– Det finnes biofilmer nær sagt overalt i naturen hvor du har en fast overflate og et vandig miljø. Du har sikkert merket at steiner i rennende vann kan være veldig glatte – en årsak til dette er at de er dekket av biofilm, forteller Løchen Økstad.

Biofilm beskytter bakteriene mot antibiotika

At bakteriene danner biofilmer, innebærer blant annet at det blir vanskeligere å ta knekken på dem med anbitiotika.

– Det er vist at dannelsen av biofilm er involvert i mange infeksjoner, noen mener at andelen er så høy som 70-80 prosent.

– Det er godt kjent at bakterier i biofilm vokser saktere enn frittlevende bakterier, og det er et problem fordi de fleste antibiotika virker best mot bakterier i aktiv vekstfase. Bakterier i en biofilm vokser så sakte at de kan være opptil 1000 ganger mer resistente mot antibiotika enn hvis de hadde vært frittlevende bakterier, forteller han.

Forskere ved både universiteter og i farmasøytiske bedrifter jobber derfor med å utvikle metoder som kan gjøre bakteriene mer tilgjengelige for antibiotika igjen.

– Det hadde vært veldig kjekt å finne et eller flere stoffer som kan «løse opp» biofilm og gjøre bakteriene mer frittsvømmende og sårbare. Men her er det mye igjen å gjøre, tilføyer Løchen Økstad.

Bakterier i biofilmer kan i mange tilfeller forårsake til dels alvorlige sykdommer.

Kunstige hofter og andre kirurgiske implantater risikerer å bli dekket med biofilm, og dette kan gi så alvorlige infeksjoner at implantatene må tas ut igjen.

Det er også forholdsvis vanlig at personer med urinveisinfeksjoner får dannet biofilm-liknende strukturer inne i cellene langs urinveiene, og dette kan fungere som et reservoar for nye infeksjoner.

Matvareindustrien må hele tiden kjempe mot bakteriene, som gjerne lager biofilm på for eksempel metalloverflater hvis renholdet ikke er godt nok.

I munnhulen hos de fleste mennesker kan det leve opptil mange hundre bakteriearter samtidig, og de danner fort biofilmer hvis tannpussen ikke skjer ofte nok. «Plysj på tenna», eller plakk, er egentlig en slags biofilm.

Bakteriene signaliserer til hverandre

Bakterier i biofilmer spiller også en rolle i alvorlige sykdommer som for eksempel cystisk fibrose.

Denne genetiske sykdommen skyldes en mutasjon som fører til et defekt transportprotein i cellemembranen i pasientenes egne celler, og det fører igjen til at det naturlige slimet i blant annet bronkiene blir svært seigt.

Dette gir bakterien Pseudomonas aruginosa en anledning til å slå seg ned i bronkiene og danne en biofilm som gjør det vanskelig å behandle med antibiotika.

Steiner i en elv er ofte glatte fordi de er dekket av biofilm

Når steiner på bunnen av en elv er glatte, er årsaken ofte at de er dekket av biofilm. Foto: Colourbox.

Løchen Økstads forskergruppe har jobbet med biofilm siden 2008. De publiserte nylig en vitenskapelig artikkel som avslører hvordan bakteriers evne til å danne typiske biofilmer styres av signalveier inne i bakteriecellen, og påvirkes av signaler fra omverdenen og endrer sitt eget levesett deretter.

De undersøkte effekten av ti gener som regulerer biofilm-dannelse hos matforgiftningsbakterier i Bacillus cereus-gruppen, som er slektninger til Bacillus subtilis. Forskerne beskrev også hvordan bakteriene kan være i stand til å fange opp signaler fra miljøet.

– Signalene kan handle om for eksempel hvor mye oksygen som er til stede i miljøet. Det vi så, var at bakteriene fanget opp disse signalene og reagerte med å slå gener av og på.

– De kunne for eksempel slå av eller på gener som påvirker dannelsen av biofilm eller produksjonen av giftstoffer (toksiner), hvis det var en gunstig reaksjon i forhold til miljøet, forteller Løchen Økstad.

Det er ennå et ubesvart spørsmål om disse bakteriene kan bruke biofilm som en feste- og overlevelsesmekanisme for eksempel på stål i melketanker og lignende.

Noen bakterier er gunstige

– Men vi skal huske på at de fleste bakterier ikke er skadelige: Tvert imot - mange av dem er faktisk gunstige for oss. Vi mennesker skal for eksempel være veldig glade for at vi går rundt og bærer på en til to kilo bakterier bare i tykktarmen, for uten dem ville vi fått store problemer blant annet med fordøyelsen og med å oppnå et fullverdig immunforsvar.

– Menneskekroppen inneholder i det hele tatt minst like mange bakterieceller som menneskeceller, og de aller fleste lever vi godt sammen med, forteller Løchen Økstad.

Kontakt:

Professor Ole Andreas Løchen Økstad, Farmasøytisk institutt

Les mer på Titan.uio.no:

Slik forsvarer bakteriene seg

– Som å drepe bakterier med bulldozer

Varsler eksplosjon i bruken av antistoff-baserte medisiner

Kjemien som kan gi deg bedre helse

TEMA-SIDE om Livsvitenskap

Vitenskapelig artikkel:

Fagerlund A, Smith V, Røhr ÅK, Lindbäck T, Parmer MP, Andersson KK, Reubsaet L, Økstad OA. (2016). Cyclic-di-GMP regulation of Bacillus cereus group biofilm formation. Molecular Microbiology. DOI: 10.1111/mmi.13405

Les også

‘De sibirske trappene’, Russland.

Ny bit er lagt i puslespillet om "Den store døden"

Det er ikke snakk om Svartedauden eller at dinosaurene døde ut. "Den store døden" er en hendelse i det geologiske tidsperspektivet, og den største av alle masseutryddelser på jorda. Vi er på slutten av perm-tiden for 252 millioner år siden.