Artikkel

Bakterier – de nye superheltene

Bakterier
Illustrasjon: Renate Thor

Bakterier – de nye superheltene

Bakterier har et dårlig rykte, men er også en viktig samarbeidspartner for eksempel i medisin. Ambisiøse forskere bruker datamaskiner for å oppdage bakterienes egenskaper.

Bakterier er overalt. De vokser på huden og i tarmene og er nesten like mange som menneskecellene i en kropp. Bakteriene kan også leve på bunnen av havet, overleve tiår nedfrosset i isen og dypt under bakken. De har gjort det i millioner av år, de og kommer til å gjøre det lenge etter at menneskene er borte.

Stort sett har bakteriene et dårlig rykte og symboliserer sykdom, død og forråtnelse. De deler seg ustoppelig, spiser i vei på hud, tre og metall og utvikler forsvarsmekanismer mot medisinske oppdagelser. Samtidig har bakterier og medisin en lang historie bygget på samarbeid. I tiår har forskere utnyttet bakterienes talenter. Nå har duoen fått en tredje partner: datamaskiner.

You can also read this article in English

Byggmester Bob

Digitale, matematiske modeller har åpnet et hav av muligheter for bioteknologi, og ambisiøse forskere flytter grensene for hva bakterier kan få til.

Yi Jing og Anja Røyne med betong-bakterier
Yi Jing (t.v.) og Anja Røyne med betong-bakterier. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO Bruk bildet.

– Vi vil bruke bakterier til å lage sement, sier Anja Røyne ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo (UiO), prosjektleder for BioZEment 2.0.

Røyne beskriver en fremtid der bakteriene lager konstruksjonsmateriale til bygninger og infrastruktur. Hun håper å løse et stort problem innen industriell produksjon av sement: store klimautslipp fra fabrikkene som brenner kalkstein for å få tak i reaktive råmaterialer til sementproduksjonen.

Klarer Røyne å få bakteriene til å gjøre det samme uten utslipp av CO2?

Sammen med et stort team av forskere håper hun å få to grupper av bakterier til å samarbeide om jobben. Den første gruppen av mikroorganismer bader i et sukkerrikt substrat mens de deler opp kalksteinen til kalsium og karbonat. En annen gruppe bakterier bruker den oppløste kalksteinen til å lime sammen sandkorn. Resultatet: en fast klump med sement, laget av bakterier.

Digitale bakterier

– De første resultatene var ikke strålende, og jeg ville ikke ha bygget et hus av den første sementen fra laboratoriet. Men eksperimentene viser at prosessen kan fungere, kommenterer Røyne.

Finansiering fra Digitalt Liv Norge (DLN) lar forskerne utforske og forme den levende produksjonsenheten. Et første steg er å arbeide med digitale bakterier for å kartlegge fysikken og kjemien bak bakterienes egenskaper.

– Vi utvikler nå to modeller. Den ene er for å teste hvordan bakterier, næringsstoffer, vann og sandkorn oppfører seg i liten skala. Den andre modellen inneholder de genetiske og metabolske prosessene i bakteriene, forklarer Røyne.

Alexander Wentzel er en viktig samarbeidspartner i prosjektet, han arbeider på SINTEF i Trondheim. Regionen har også bidratt med lokale bakterier til prosjektet.

– Vi trengte bakterier som ville tåle å leve i et miljø med høy pH, så jeg reiste på en liten ekspedisjon i nærheten av et kalksteinsbrudd for å samle inn prøver. I jordprøvene fant vi bakterier som kan bidra til sementproduksjonen, forklarer Wentzel.

Les mer om Anja Røynes prosjekt: Lar bakteriene bygge betong

Et hav av muligheter

En annen og langt større bakterieinnhøsting kommer fra fjorden utenfor Trondheim, og SINTEFs nåværende samling inneholder flere tusen marine bakterier. For 1200 av bakteriene har forskerne kartlagt det genetiske arvematerialet.

Wentzel og kollegaene hans vil bruke dataene for å oppdage nye antibiotika, et DLN-prosjekt kalt INBioPharm. Ved å kartlegge potensielle gener fra bakteriene ved hjelp av matematiske modeller, og så teste genene i vertsbakterier på laboratoriet, håper Wentzel å gjøre oppdagelser som er relevante for farmasøytisk industri.

– Vi lager også bioinformatiske verktøy som er verdifulle for andre prosjekter, kommenterer han.

Å kombinere matematiske modeller og eksperimentelt arbeid for å oppdage interessante gener og biomolekyler er relevant for prosjekter innen helse, industri og landbruk.

Treskjæring

Biokjemiker Vincent Eijsink ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU) på Ås er ikke primært interessert i antibiotika, men i bakterielle enzymer.

– Vårt mål er å kombinere digitale modeller med laboratorieeksperimenter for å oppdage hvordan spesialiserte bakterieenzymer arbeider sammen for å bryte ned plantemateriale, sier Eijsink.

I DLN-prosjektet OXYMOD er målet å oppdage og utvikle enzymer som kan omforme biomasse fra avfall til nyttige produkter. Både OXYMOD og INBioPharm baserer seg på data fra de marine bakteriene, men forskerne bruker ulike detaljerte algoritmer og databaser for å identifisere interessante gener og enzymer.

Prosjektet på NMBU har nylig startet opp, og Eijsink estimerer at det vil ta et par år å få modellene på plass. Da kan han og kollegaene hans begynne å modifisere både digitale og levende bakterier og optimalisere systemene som trengs for å prosessere biomassen.

– Målet er å resirkulere og raffinere plantemateriale fra skogbruk og landbruk til brukbare produkter. Enzymene kan gjøre jobben for oss, og bakteriene viser oss hvordan, sier Eijsink.

Gylne bakterier

En annen jobb bakteriene enkelt kan utføre, er å ta opp metaller fra omgivelsene.

Dirk Linke
Dirk Linke får bakterier til å jakte på gull. Foto: Dag Inge Danielsen/UiO Bruk bildet.

– De tar opp palladium eller gull fra omgivelsene sine og reduserer metallene til nanopartikler, forklarer professor Dirk Linke ved Institutt for biovitenskap på UiO.

Han og kollegaene hans kartlegger hvordan bakterier med tilfeldige mutasjoner utfører denne oppgaven. De ørsmå partiklene fra bakteriene har ofte interessante katalysator-egenskaper og kan for eksempel brukes i oljeindustrien. Målet med Linkes DLN-prosjekt NANOP er å modifisere og finjustere bakteriene slik at de lager nye og potensielt nyttige nanopartikler.

– Det dukker kanskje opp nye og interessante egenskaper ved nanopartiklene når vi kan justere størrelse og sammensetning og kombinere ulike metaller for å lage nanopartikler med spesifikke bruksområder, sier han.

Les også om Dirk Linkes forskning på antibiotikaresistens: – Vi må gjøre noe nå, før millioner av pasienter dør

Mellom benken og skjermen

På laboratoriet tester Linke og kollegaene hans hvordan ulike grupper av bakterier kan ta opp, redusere og produsere nanopartikler. De eksperimentelle resultatene danner grunnlaget for digitale, matematiske modeller.

Linke, Røyne og Wentzel samarbeider med systembiolog Eivind Almaas ved Institutt for bioteknologi og matvitenskap på NTNU (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet), en ekspert på å se sammenhenger mellom laboratorieeksperimenter og modellene.

– Systembiologi handler om å integrere eksperimentelle og digitale data for å hente ut mer og bedre kunnskap til forskningsprosjektene, sier Almaas.

De interdisiplinære forskningsgruppene samarbeider tett og bruker resultater fra de digitale modellene til å prioritere hvilke eksperimenter de bør utføre først. Det sparer forskerne for tid og krefter, og hjelpen fra digitale verktøy kan også vise vei til andre retninger med potensial for nye oppdagelser.

Integrert i hvert forskningsprosjekt er det åpne spørsmålet hvordan bakteriene vil påvirke samfunnet i fremtiden. Andre utfordringer inkluderer størrelsen på de digitale modellene, hvordan gi nok næring til tallrike bakterier i industrielle inkubatorer og hvordan håndtere de bioteknologiske reguleringene for genmodifiserte bakterier.

Digital livsvitenskap vil trenge mer enn datamaskiner for å møte disse utfordringene.

Artikkelforfatteren er kommunikasjonsrådgiver i Digitalt Liv Norge

Mer om bakterier på Titan.uio.no:

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg Titan.uio på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Robotikk, studenter

Internasjonalt samarbeid gir robotikk-løft

Fem norske studenter er på vei til Japan, Brasil og USA og håper å komme tilbake med en mastergrad i robotikk i sekken. To brasilianske studenter er snart er på vei hjem etter nærmere ett år på UiO.

Deltakere på CEES-konferansen i 2017

Avdekket torskens genom og "avslørte" svartedauden

Forskerne ved Senter for økologisk og evolusjonær syntese (CEES) har levert banebrytende forskning og mer enn 1450 vitenskapelige artikler om torskens genom, pesten i Europa, pingviner og klimaendringer, vikingenes torskehandel osv i løpet av ti år. Senteret har også vært god butikk: I tillegg til grunnfinansieringen fra Forskningsrådet, kom det inn rundt 100 millioner årlig i eksterne prosjektmidler mot slutten av senterets driftsperiode.