Alle fritlevende organismer befinder sig i en konstant kamp for overlevelse i naturen. Darwin kaldte dette "survival of the fittest" og beskrev dermed, hvordan den bedst tilpassede art vil få flest afkom og føre slægten og dens egenskaber videre.

Dette grundlæggende princip gælder i særdeleshed i mikroorganismernes verden, hvor fritlevende bakterier lever i en konstant kamp om at være de bedst tilpassede og dermed dem, der deler sig hurtigst i et naturligt habitat. Men når bakterier samtidig udsættes for dræbende antibiotika, bliver denne kamp et spørgsmål om at kunne balancere fitness, altså evnen til at dele sig hurtigt, med tolerance over for antibiotika. Den store tilpasningsevne, som bakterier udviser er med til at besværliggøre behandling af en række, alvorlige infektionssygdomme i mennesker, herunder tuberkulose og alvorlig urinvejsinfektion, hvor sygdommen ofte kommer igen efter endt behandling.

I en ny forskningsartikel, netop publiceret i det anerkendte, internationale tidsskrift, Molecular Cell, er forskere fra Aarhus Universitet gået sammen med eksperter fra Københavns Universitet og det tekniske universitet ETH Zürich i Schweitz om at tage et grundigt kig på, hvordan bakterierne håndterer denne svære balance. Forskningsresultaterne viser, at bakterierne meget hurtigt sænker den hastighed, hvormed de deler sig, når de udsættes for antibiotika for at opnå den størst mulige tolerance, mens de igen begynder at vokse hurtigt, når stofferne fjernes, og det handler om at være mest "fit".

Bakterierne opsparer energi

På det molekylære plan har forskerholdet fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet, der har været under ledelse af lektor Ditlev Egeskov Brodersen, kunnet vise, at effekten formidles af et centralt enzym i bakterierne, der er i stand til at opspare molekylær energi i form af bestanddele af cellens DNA, der kan genanvendes til hurtig vækst, når antibiotikabehandlingen stoppes. Når bakterierne udsættes for antibiotika begynder de straks at nedbryde bestanddele af DNA (de såkaldte nukleotider) til mindre dele, der oplagres i cellen.

Forskerne har vist, at bakteriecellerne producerer et specielt stressmolekyle kaldet (p)ppGpp, når de udsættes for antibiotika, og at dette gør enzymet mere aktivt. Dette betyder altså, at opsparingen af energi foregår ekstra hurtigt, når bakterierne udsættes for stress. Vha. af en avanceret analysemetode kaldet røntgenkrystallografi, har forskerne været i stand til at opnå detaljerede 3D-billeder af enzymet både i dets almindelige tilstand samt bundet til stressmolekylet. Resultaterne viser overraskende, at enzymet åbner sig, når stresshormonet er tilstede, og dermed fungerer meget mere effektivt, fordi nukleotiderne hurtigere kan komme frem og tilbage til det aktive sted, hvor nedbrydningsprocessen foregår.

Det forventes, at denne viden om det molekylære grundlag for bakteriers reaktion på antibiotika vil kunne danne udgangspunkt for en helt ny type af antibiotika, der forhindrer, at bakterierne opsparer energi og dermed tilpasser sig behandlingen.

Den videnskabelige artikel i Molecular Cell: Zhang, Y., Bærentsen, R. L., Fuhrer, T., Sauer, U., Gerdes, K., and Brodersen, D. E. (2019) "(p)ppGpp regulates a bacterial nucleosidase by an allosteric two-domain switch".

DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.03.035.

Mere information

Lektor Ditlev E. Brodersen
Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet
deb@mbg.au.dk – 2166 9001