E. coli-bakterier forsvarer seg mot antibiotika ved å aktivere en SOS-respons når de oppdager DNA-skader forårsaket av antibiotikumet Ciprofloxacin. NTNU-stipendiat Olaug Elisabeth Torheim Bergum har studert denne prosessen og funnet at bakteriene går i en alarmtilstand, stopper vanlige aktiviteter som formering, og endrer form for å prioritere reparasjon av DNA-skader. Hvis skadene ikke kan repareres, kan bakteriene mutere og bli resistente mot antibiotika. Forskningen ved NTNU har også avdekket at alle SOS-gener aktiveres samtidig, og ikke sekvensielt som tidligere antatt, og at reguleringen skjer på protein-nivå. Denne innsikten kan bidra til utvikling av nye legemidler som hindrer resistens ved å angripe bakterienes stressresponsmekanismer. Studien er en del av TAMIR-prosjektet, finansiert av Trond Mohn stiftelsen og NTNU.
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?
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 DNAet. 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 colireagerer 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 DNAet i bakteriecellene.
Det binder seg til et protein som bistår i å opprettholde riktig struktur på DNAet, ved å kutte og lime DNA-trådene. Dette er nødvendig fordi kopiering og avlesing av DNA skaper stress på DNA-molekylet, forklarer Bergum.
-ANNONSE-
For mer informasjon om: Heartstart HS1
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 DNAet, inkludert enkelttråder av ufullstendig DNA inne i cellen, sier Bergum.
Mange vanlige aktiviteter i bakterien, som å formere seg, settes på pause. Dette gjenspeiles i at bakteriene endrer form.
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 øyet.
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 DNAet. Da muterer de. Denne responsen hjelper dermed bakterier med å tilpasse seg og bli motstandsdyktige mot antibiotika ved å bli resistente, sier Bergum.
-ANNONSE-
For mer informasjon om: AED trener
Blir motstandsdyktige mot antibiotika
Normalt vil en antibiotikakur gis i så store doser at skadene på DNAet 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 både hvordan «SOS-genene» aktiveres og 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.
Forskerne ved NTNU fant imidlertid 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 hundre prosent kontroll på vekstforholdene. Det gjør at vi får resultater som er lettere å reprodusere.
-ANNONSE-
For mer informasjon om: Hjertebrett
Bidrar til nye legemidler
Forskerne har brukt metoder der de kan måle både genaktivering, proteiner og små molekyler.
Dette studiet er det 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 til bakteriene til to timer senere. Det gir en god forståelse av tidsforløpet, i følge 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.
Ved å skjønne mer om hvordan SOS-responsen fungerer, kan man utvikle stoffer som angriper disse mekanismene.
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.
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:
Studien er gjort under prosjektet TAMIR (Targeting antimicrobial resistance by inhibition of bacterial stress responses), ledet av professor Marit Otterlei ved NTNU. Arbeidet er finansiert av Trond Mohn stiftelsens nasjonale forskningsprogram på AMR og NTNU.
Referanse: Olaug Elisabeth Torheim Bergum m.fl: Frontiers | SOS genes are rapidly induced while translesion synthesis polymerase activity is temporally regulated(frontiersin.org)