Slik forsvarer E. coli-bakterien seg mot antibiotika

Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Olaug Elisabeth Torheim Bergum og kollega Amanda Holstad Singleton har studert hvordan E.coli-bakterier reagerer når de blir utsatt for antibiotikumet Ciprofloxacin. (Foto: Lilja Brekke Thorfinnsdottir)

Når bakterien oppdager skader på arvestoffet, sender den ut et SOS-signal som gjør at forsvaret prioriteres.

– Bakteriene går i full alarm-modus, forteller NTNU-stipendiat Olaug Elisabeth Torheim Bergum.

Se for deg at du har fått en lei halsbetennelse. Du er syk, det gjør vondt, og et besøk hos legen gjør det klart at smertene skyldes en bakterieinfeksjon. Så får du resept på antibiotika, som etter kort tid tar knekken på halsondet. Du blir glad og fornøyd – men hvordan oppleves dette fra bakterienes side?

Bakteriene får skader

– Når vi behandler bakterier med antibiotika, påfører vi dem skader. Disse skadene kan være mye forskjellig, men ofte er det snakk om skader på arvestoffet, på DNA-et. Slike skader aktiverer en SOS-respons i bakterien, sier Bergum ved Institutt for klinisk og molekylær medisin.

Hun har studert hvordan den sykdomsfremkallende bakterien Escherichia coli reagerer når den blir utsatt for små, ikke-dødelige mengder av antibiotikumet Ciprofloxacin.

Ciprofloxacin er i dag et av de mest brukte antibiotika i verden og virker ved å angripe DNA-et i bakteriecellene.

– Det binder seg til et protein som bistår i å opprettholde riktig struktur på DNA-et, ved å kutte og lime DNA-trådene. Dette er nødvendig fordi kopiering og avlesing av DNA skaper stress på DNA-molekylet, forklarer Bergum.

Bakterier som blir skadet av antibiotika, slår på SOS-responsen. De endrer seg slik at de kan tåle antibiotika bedre. Mens dette skjer, endrer de form og blir tynne og langstrakte. (Foto: Olaug Elisabeth Torheim Bergum og Amanda Holstad Singleton)

Prøver først å reparere

Proteinet holder med andre ord orden på DNA-tråden mens bakteriecellen holder på med sitt. Når bakterien skal dele seg, sørger det for at DNA-kopieringen foregår i trygge og ryddige former. Men når antibiotikumet binder seg til proteinet, hindres denne funksjonen. Da blir det rot.

– Da dannes det skader på DNA-et, inkludert enkelttråder av ufullstendig DNA inne i cellen, sier Bergum.

Når slike enkelttråder oppstår, er det som om man tenner en fyrstikk under en røykvarsler. Andre proteiner oppdager de ødelagte DNA-fragmentene, og alarmen går. For bakteriecellene er dette en dramatisk situasjon, noe man også kan se med det blotte øye.

– Da er det alle mann til pumpene. Mange vanlige aktiviteter i bakterien, som å formere seg, settes på pause. Dette gjenspeiles i at bakteriene endrer form. Vanligvis er E.coli stavformet, men når de utsettes for Ciprofloxacin, blir de lange filamenter. Bakterien prioriterer å reparere skaden.

Klarer de ikke å reparere skaden feilfritt, går de videre til neste steg.

– Nytter det ikke å reparere, så er siste utvei å endre DNA-et. Da muterer de. Denne responsen hjelper dermed bakterier med å tilpasse seg og bli motstandsdyktige mot antibiotika ved å bli resistente, sier Bergum.

Bakteriene ble dyrket i en egen bioreaktor. I en slik reaktor har forskerne hundre prosent kontroll på vekstforholdene. Da får de resultater som er lettere å reprodusere. (Foto: Amanda Holstad Singleton)

Blir motstandsdyktige mot antibiotika

Normalt vil en antibiotikakur gis i så store doser at skadene på DNA-et blir for store til å la seg reparere. Men ved Institutt for klinisk og molekylær medisin på NTNU er forskerne interessert i å vite hva som skjer når bakteriene faktisk vinner kampen mot antibiotikumet, ved å skru på SOS-responsen.

Å vite nøyaktig hvordan reparasjonsprosessene og muteringen foregår, er viktig for å kunne motvirke antibiotikaresistens. 

Bergum og kollegene har derfor valgt å se på hvordan «SOS-genene» aktiveres. De undersøker hvordan bakterien bruker proteiner og små molekyler til å rette opp skadene som antibiotikumet forårsaker.

– Når alarmen går, aktiveres 60 ulike gener inne i cellen. Tidligere har man trodd at genene har blitt aktivert over tid. Det vil si at man først aktiverer gener som brukes til å lage de proteinene man trenger i den første fasen av reparasjonsarbeidet, og deretter aktiverer de neste genene, sier hun.

Forskerne ved NTNU fant imidlertid ut at alle genene aktiveres med en gang.

– Reguleringen foregår ikke på gen-nivå, men på protein-nivå, sier Bergum.

Dette er ny kunnskap, sier forskeren.

– Vi har fått resultater som er annerledes enn det man har fått fra andre studier. Det kan skyldes at vi har dyrket bakteriene i en bioreaktor, der vi har 100 prosent kontroll på vekstforholdene. Det gjør at vi får resultater som er lettere å reprodusere.

Bidrar til nye legemidler

Forskerne har brukt metoder der de kan måle både genaktivering, proteiner og små molekyler.

– Denne studien er den første som har sett på alle disse tre nivåene av SOS-responsen samtidig. Vi har også målt ganske hyppig, fra ett minutt etter at antibiotika blir tilsatt bakteriene til to timer senere. Det gir en god forståelse av tidsforløpet, sier Bergum.

Så kan man kanskje tenke at det ikke burde være noe problem å hindre resistensutvikling, ettersom det bare er å sørge for stor nok dose av antibiotikumet. Men så enkelt er det ikke, ifølge Bergum.

– Når man behandler en infeksjon, vil ikke alle bakterier eksponeres for antibiotikumet i like stor grad. Dette kan skyldes forskjellig opptak mellom ulike vev og at noen bakterier er naturlig mer motstandsdyktige. Dermed kan det skje resistensutvikling hos noen av bakteriene.

Bakterier kan også utvikle resistens ute i naturen.

– Det er mye antibiotika ute i vann og avløp, og her vil det være i lave doser. Det er derfor viktig at man får redusert bruken av antibiotika, sier Bergum.

Den nye innsikten i hvordan SOS-responsen fungerer vil være nyttig i utviklingen av nye legemidler.

– Verden trenger nye antibiotika og mer kunnskap om mekanismene rundt resistens. Ved å skjønne mer om hvordan SOS-responsen fungerer, kan man utvikle stoffer som angriper disse mekanismene. Slike stoffer, inhibitorer, kan så gis sammen med for eksempel Ciprofloxacin for å hindre resistensutvikling, sier Bergum.

Referanse:

 Olaug Elisabeth Torheim Bergum mfl: SOS genes are rapidly induced while translesion synthesis polymerase activity is temporally regulated. Front. Microbiol., 2024. Doi.org/10.3389/fmicb.2024.1373344