Bakterie mod virus
illustreret videnskab 26. marts 2009
Et stort mikrobiologisk gennembrud baner nu vej for både sikrere fødevareproduktion og bekæmpelse af multiresistens. Forskere har opdaget, at bakterier har et avanceret immunforsvar, der kan afsløre et virusangreb og dermed afgøre mikrobernes tvekamp...

Af Rasmus Kragh Jakobsen

Omringet af fjender er det rigtigt rart med et trick eller to oppe i ærmet. Bakterier er mestre i overlevelse og trives, selv om de bogstavelig talt er omsluttet af horder af virus. Det har længe været en gåde hvorfor.
Nu har forskere imidlertid opdaget et genialt forsvarsvåben, som tegner et fuldstændigt nyt billede af mikrobernes immunforsvar. Med en snedig mekanisme kan bakterierne ligesom mennesker lære at genkende virus og på kort tid etablere et særdeles effektivt forsvar. Hidtil har man troet, at tilpasningsdygtige immunforsvar var forbeholdt de højere organismer, så forskernes opdagelse åbner store perspektiver. Den nyopdagede mekanisme kan udnyttes til alt fra billigere oste til fornyet kraft i menneskets kamp mod sygdomme.

Bakterier gemmer på virus-dna
Forhistorien til det nye gennembrud begynder i 1987, hvor japanske forskere opdager, at mange bakterier har en serie små klynger bestående af korte gentagne dna-sekvenser. Længe bliver klyngerne anset for at være et uvæsentligt levn fra fortiden, men i 2002 opdager genetikeren Philippe Horvath fra det danske biotekfirma Danisco, der bl.a. laver bakteriekulturer til fødevareindustrien, noget spændende imellem klyngerne. Forskerne arbejder med en af mejeriindustriens favoritbakterier, Streptococcus thermophilus, der populært sagt er arbejdshesten i yoghurt- og osteproduktion.
Virus er et stort og bekosteligt problem for mejerierne, fordi de kan slå alle mælkesyrebakterierne ihjel og fuldstændig ødelægge et helt parti mælk. Derfor spærrer Horvath øjnene op, da en kortlægning af bakteriens arvemateriale viser, at dens genom indeholder nøjagtige stykker af kendte virusgener.
Virusstykkerne ligger i mellemrummene mellem de gentagne dna-klynger og kan næppe skyldes en evolutionær tilfældighed. De må på en eller anden måde være blevet inkorporeret i bakteriens genom, og Horvath fornemmer hurtigt, at de tilsyneladende uinteressante klynger kan være et led i bakteriernes forsvar. Klyngerne, der kaldes CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats), er en serie af under 50 dna-baser, som gentages op til 250 gange med korte mellemrum. Det er i mellemrummene, at virus-dna’et ligger.
Sammen med kollegerne beslutter Horvath sig for et simpelt eksperiment. Man ved, at bakteriekulturer kan blive robuste og modstå virus, hvis man avler på dem – simpelt hen udsætter en stor population af bakterier for angreb af virus og indsamler de få, der overlever og derfor må være blevet modstandsdygtige. Horvath udsætter bakterierne for to virus hver for sig og finder bagefter ni bakteriestammer, som har overlevet. Til forskernes begejstring viser det sig, at alle ni bakterier har fået 1-4 nye stumper virusdna i deres genom, som ikke var der før.
Forskerteamet undersøger de nye bakteriers resistens nærmere og kan se, at jo flere nye stykker bakterien har tilføjet, desto bedre er modstandsdygtigheden. Det viser sig også, at bakterierne mister resistensen igen, hvis forskerne fjerner de nye stykker, mens de omvendt kan gøre andre bakterier resistente alene ved at overføre virus-dna’et i CRISPRregionen. Der er ingen tvivl – de små dnaklynger er langtfra et ligegyldigt fortidslevn, men en vigtig forsvarsmekanisme.
Det ser ud til, at bakterien kan indfange små stykker virus-dna, indarbejde dem i sit eget genom i CRISPR-regionen og herefter bruge de små stykker til at uskadeliggøre nye virus. Præcis hvordan det gøres, ved forskerne endnu ikke, men i forbindelse med CRISPR-klyngerne findes et antal gener kaldet CAS-gener, der tydeligvis er vigtige for processen.
Samtidig opdager forskerne, at modstandsdygtigheden ikke kun gælder én virus. Tre bakterier er blevet resistente over for begge virus, selv om de kun har været inficeret med den ene! Umiddelbart et mysterium, men en nærmere analyse af de tre bakteriers nye virus-dna løser gåden: De to virus er nemlig nært beslægtede, og 93 pct. af deres genetiske kode er identisk, så dna-stykket matcher et gen hos dem begge. For bakterien er det smart, da den med ét hug kan dække sig ind mod en vifte af beslægtede virus.
Som et sidste spor opdager Horvath og hans kolleger, at dna-stykkerne ikke er koncentreret til et eller to sårbare virus-gener, men er spredt over hele virussens genom. Med andre ord ser det ud til, at CRISPR-mekanismen er meget basal og dybest set handler om genkendelse – helt som vores eget immunforsvar.

Virus når aldrig at folde sig ud
Selv om detaljerne ikke er på plads endnu, tegner alle de små brikker et billede af en mekanisme, hvor bakterien overlever et første virus-angreb – måske fordi virussen er svækket eller bliver af brudt – og får indbygget stumper af virussens arvemateriale i sit CRISPR-forsvar. Når først det sidder her, bruger bakterien det til at lave kopier, som formentlig sammen med CAS-proteinerne binder sig til den matchende del af arvematerialet hos nye angribende virus. Og så er angrebet dømt til at mislykkes, for arvematerialet nedbrydes, inden det kan nå at blive omsat til virus. Det er en anderledes form for tillært immunforsvar end menneskers, der ikke er arveligt og i stedet for genkendelse af arvematerialet er baseret på genkendelse af proteiner.
“Det er første gang, nogen har vist denbiologiske funktion af de her sekvenser,” siger Philippe Horvath.
Og opdagelsen af bakteriernes immunforsvar åbner et kæmpe potentiale, som forskere fra de store universiteter i hele verden har kastet sig over, siden fundet blev offentliggjort.
“Først og fremmest vil vi kunne beskytte bakterier, som vi bruger i dag,” siger professor Rotem Sorek fra Lawrence Berkeley National Laboratory i USA.
Danisco laver mælkesyrebakterier til produktion af yoghurt og ost, men bakterier bruges til en lang række andre formål som fx rensning af spildevand fra byer, nedbrydning af olie fra udslip, vinproduktion med videre. Hver gang er det nogle helt bestemte bakterier, som klarer opgaven. Problemet er, at bakterierne er meget sårbare over for virusangreb, fordi de holdes i tætte kulturer – for virus er det nærmest et kæmpe tagselvbord.
“Med CRISPR har vi nu muligheden for at forbedre bakterierne,” siger Sorek og peger som et eksempel på rensning af spildevand.
Her er afgiftningen afhængig af en bakterie, Accumulibacter, men indimellem oplever man på vandrensningsanlæggene, at systemet “crasher”, fordi bakterierne dør, og der breder sig en forfærdelig hørm i hele området. Forskerne har for nylig vist, at Accumulibacter også har CRISPR, så nu er det muligt at forbedre bakteriernes evne til at bekæmpe bestemte virus og undgå kollapsene.
CRISPR er et universalværktøj
Der er også adskillige andre måder at udnytte CRISPR på. Fx vil man kunne opdage industrispionage eller tyveri ved at sætte en bestemt dna-signatur ind i bakterierne. Så vil Horvath fx kunne følge bakteriekulturer med en unik Daniscosignatur og opdage, hvis bakterierne pludselig dukker op hos andre. Til forskning og udvikling er CRISPR også en oplagt måde at opdele og skelne forskellige stammer af den samme art på, så man nemt kan videreudvikle en kultur, der allerede har egenskaber, man er glad for.
Forskerne regner også med at kunne vende CRISPR mod bakteriens egne gener og på en hurtig og nem måde undersøge hvert gens funktion ved at “slukke” for generne et ad gangen. Ifølge forskningschef i Danisco Egon Bech Hansen vil næste skridt være simple organismer som gær og på længere sigt planter.
Forskerne er i øjeblikket specielt fokuseret på at kortlægge og forstå de præcise detaljer i, hvordan CRISPR fungerer, samt at af klare, om man kan overføre hele immunmekanismen mellem forskellige bakterier. Bech Hansen forventer, at man i løbet af de næste år lærer håndværket i bakterier og vil kunne flytte CRISPR rundt som en samlet kassette, der også kan gøre de bakterier, som ikke allerede har CRISPR, modstandsdygtige over for bakterievirus. Det næste naturlige skridt er gær og skimmel, som er udbredte i industrien, og som forskerne allerede har et omfattende kendskab til.
Begge er højere organismer kaldet eukaryoter, der bl.a. adskiller sig fra bakterier ved at rumme en cellekerne, hvor arvematerialet er opbevaret. De angribes af helt andre virus end bakterier, men der er ikke noget grundlæggende til hinder for, at man vil kunne overføre og udnytte CRISPR-mekanismen til at bekæmpe deres virus. Lykkes det med fx gær, er døren åben på vid gab fra bakteriernes og gærens mikroskopiske univers ind til vores synlige verden. Planter, dyr og mennesker er ligesom gær eukaryoter, og vi er fx meget tættere beslægtet med en gærcelle, end vi er med bakterier. Alle vores vigtige afgrøder plages ligesom bakterier og gær af virus, og der er et enormt økonomisk potentiale, hvis vi kan overføre CRISPR til vores nytteplanter og så at sige give dem et ekstra skud i bøssen.
Man kan heller ikke udelukke, at systemet kan anvendes på dyr eller mennesker, men som Egon Bech Hansen udtrykker det, vil det kun være, “hvis mennesket en dag står med ryggen mod muren”. I hvert fald hvis vi taler om at overføre CRISPR til menneskets arvemasse. Det er det samme som at frembringe transgene mennesker, hvilket har helt uoverskuelige konsekvenser – og hvilket vi i øvrigt slet ikke er parate til.

Virus kan redde menneskeheden
Helt anderledes oplagt er det at vende hele scenariet om og i stedet anvende CRISPR til at bekæmpe bakterier. Et af de helt store problemer i dag er, at sundhedsvæsenet med foruroligende hast er ved at løbe tør for lægemidler mod bakterier. På hospitaler står man gang på gang over for multiresistente bakterier, hvor det ene antibiotikum efter det andet bare preller af. Lægerne har længe advaret om risikoen for at blive bombet tilbage til tiden før penicillinens opfindelse, hvor selv en simpel infektion fra et sår eller en splint kunne være dødelig. I det store billede har menneskeheden kun haft overtaget over bakterierne i en ganske kort periode på under 100 år, og uden nye midler kan den epoke være slut.
Men CRISPR kan netop blive sådan et middel. Med kendskabet til en af bakteriernes vigtige forsvarsmekanismer kan man sagtens forestille sig nye former for antibiotika, som stiler efter at ramme CRISPR og derefter lade virussen gøre arbejdet færdigt. Metoden kunne man kalde virus-terapi, og det overraskende er, at det faktisk overhovedet ikke er nogen ny tanke, men en strategi, som lever i bedste velgående på hospitaler rundt omkring i det tidligere Sovjetunionen.
Også flere store medicinalfirmaer i Vesten har engang haft virusterapi på flaske, men efter antibiotikaernes succesfulde fremmarch er virusterapi gået i glemmebogen. Det gjorde den imidlertid ikke i Sovjetunionen, hvor forskning og behandling er fortsat frem til i dag – specielt i Georgien, hvor bl.a. Eliava-instituttet i Tbilisi i mere end 80 år har dyrket bakterievirus mod farlige bakterier. Med CRISPR kan man gøre virusterapi endnu bedre, og opdagelsen kommer lige i rette tid, for i disse år er behandlingsmetoden ved at bryde igennem (igen) i Vesten.

Spray forhindrer madforgiftning
En af de førende eksperter, georgieren dr. Alexander Sulakvelidze, flyttede til USA for ti år siden, hvor han har været med til at grundlægge firmaet Intralytix, som har fået godkendt den første virusterapi i USA. LMP102 er en cocktail af seks forskellige virus mod den farlige bakterie Listeria monocytogenes, som forårsager madforgiftning og hvert år koster mange menneskeliv.
Alle virus har forskerne fundet og indsamlet i søer og floder og testet for størst aktivitet mod listeria-bakterien. LMP102 smøres eller sprayes på maden, hvor de effektive virus kan reducere antallet af listeriabakterier over tusind gange. Lykkes det samtidig at udvikle et antibiotikum, der er i stand til at blokere CRISPR-forsvaret, vil LMP102 blive endnu mere effektiv. Tilsvarende er en række virus-cocktails mod salmonella, som man kan spraye på æg, under udvikling.
Et andet spændende nyt produkt er et plaster, PhageBioDerm, som indeholder virus, der slår bakterier ihjel i inficerede sår. Da plasteret er biologisk nedbrydeligt, forsvinder det selv, samtidig med at såret heler. Metoden har allerede været brugt længe i Georgien. Og i England har firmaet Biocontrol Limited annonceret meget lovende resultater af forsøg med virusterapi mod bakterien Pseudomonas aeruginosa, der er synderen bag visse kroniske øreinfektioner.
Fordelene ved virusterapi er store – bakterievirus er naturlige, de findes overalt, også inden i os, de angriber kun helt bestemte bakterier, og de virker på multiresistente bakterier. I kombination med CRISPR-antibiotika kan virusterapi blive endnu mere potent og et tiltrængt nyt våben mod de multiresistente bakterier.
Endelig er det de seneste år blevet klart, at de små kopier af dna – rna – som CRISPR-mekanismen bruger, spiller en meget større rolle i vores celler end hidtil antaget. Det mest opsigtsvækkende fund har været en mekanisme, som kaldes rna-interferens (RNAi). Den bruger små rna-stykker til at regulere cellernes egne gener ved at “slukke” for dem. Formentlig fungerer CRISPR på samme måde.
I 2006 blev Nobelprisen i medicin uddelt for opdagelsen af RNAi, og i dag er man klar over, at rna spiller et væld af vigtige roller i vores celler. I 2007 viste Robinson Triboulet fra Institut de Génétique Humaine i Montpellier i Frankrig fx, at små stykker rna er en vigtig del af cellens forsvar mod hiv-angreb.
Princippet minder meget om bakteriernes verden, og selv om mennesker ikke har et CRISPR-system, er det meget sandsynligt, at forskningen i CRISPR også vil smitte af på den grundlæggende forståelse af, hvordan vores egne celler virker.


Copyright © Rasmus Kragh Jakobsen og Illustreret Videnskab.