Ny förklaring till naturens mest tåliga livsform
Matförgiftad? Då kan du ha fått i dig sporer, en extremt tålig överlevnadsform av bakterier, en huvudvärk för sjukvården och livsmedelsindustrin och en gåta för forskarna. Bakteriesporer, som finns överallt i vår omgivning, kan också orsaka allvarligare infektionssjukdomar, såsom stelkramp, mjältbrand och botulism. Nu har forskare i Lund och USA gjort ett genombrott i förståelsen av sporernas molekylära egenskaper som på sikt kan bidra till nya metoder för att sterilisera livsmedel och medicinsk utrustning. Resultaten publiceras i det senaste numret av den amerikanska vetenskapsakademiens tidskrift PNAS.
Inom livsmedelsproduktion och sjukvård används höga temperaturer för att döda sporer, som överlever kokning och vanliga desinfektionsmedel. Men detta är kostsamt och försämrar näringsvärdet och smaken hos livsmedlen. Varför sporer är så värmetåliga och hur de kan överleva utan näring har länge förbryllat forskarna, men man har misstänkt att det är förändringar i sporvattnets fysikaliska egenskaper som är avgörande.
Men nu har alltså fysikaliska kemister vid Lunds Tekniska Högskola i samarbete med mikrobiologer från Lund och USA lyckats ”se” vattnet i intakta sporer och upptäckt att det har helt andra egenskaper än vad man tidigare trott. De har också sett att proteinerna i sporerna är orörliga, vilket förklarar varför sporerna klarar så höga temperaturer. För det tredje såg man att sporkärnans membran utgör en effektiv barriär för vattnet, vilket bekräftar hypotesen om att det skyddar sporens DNA mot giftiga ämnen. För att kunna ”se” vad som händer inuti sporerna har lundforskarna utvecklat en unik metod.
För att kunna överleva långa perioder av näringsbrist eller andra ogynnsamma villkor har vissa typer av bakterier utvecklat förmågan att bilda sporer, där cellens DNA och nödvändiga enzymer packats ned i en kapsel omgiven av flera skyddande barriärer. I denna form kan bakterien överleva hundratals, kanske miljontals, år i ett vilande tillstånd och dessutom uthärda torka, extrema temperaturer, strålning och gifter som snabbt skulle ta kål på en oskyddad bakterie. Men sporen känner av sin omgivning och så fort förutsättningarna är bättre igen förvandlas den åter till en aktiv bakterie.
Man vet sedan länge att sporernas överlevnadsförmåga hänger samman med den låga vattenhalten i sporkärnan, där bakteriecellens DNA och de flesta enzymer är lagrade. Tidigare trodde många forskare att detta vatten omvandlades till en fast form, ett så kallat glas. Glaset skulle då skydda enzymerna och stoppa upp hela cellmaskineriet. Detta tycks vara vad som sker i andra härdiga livsformer, som t ex växtfröer.
— Vad vi nu upptäckt är att vattnet i sporen är nästan lika lättflytande som i vanliga bakterier, medan enzymerna är i stort sett orörliga. Vi tror därför att sporens värmetålighet och förmåga att stänga av cellmaskineriet beror på att vissa kritiska enzymer inte fungerar vid den låga vattenhalten i sporkärnan. Men naturligtvis krävs mycket mer arbete innan allt är utrett, förklarar Bertil Halle, professor i fysikalisk kemi, som tillsammans med Erik Sunde, doktorand i samma ämne, har skrivit PNAS-artikeln ”The physical state of water in bacterial spores”.
Enligt Bertil Halle ska resultaten ses i ljuset av en 50-årig debatt om cellvatten i aktiva bakterier och andra celler, där många forskare hävdat att vattnet fungerar helt annorlunda än vattnet i provrör som man normalt undersöker proteiner och andra biomolekyler i.
— Frågan är oerhört viktig eftersom den berör allt liv, och om dessa forskare hade rätt så skulle mycket av det vi lärt oss från provrörsexperiment om till exempel proteiner inte vara så intressant, förtydligar Bertil Halle.
En anledning till att forskarvärlden varit oense så länge är att det inte funnits en metod för att se vatten i celler eller, vilket är ännu svårare, i sporer. Men under de femton senaste åren har lundaforskarna utvecklat en teknik, s k magnetisk relaxationsdispersion, som klarar av detta.
Genom att variera magnetfältet kan forskarna se molekylrörelser från en tusendels ner till en miljarddels sekund. I sitt världsunika laboratorium har lundagruppen gjort en rad uppmärksammade studier av proteiner, DNA och levande bakterieceller, bland annat två studier som publicerades i PNAS 29 april 2008.
En annan viktig observation för att förstå varför sporen kan överleva temperaturer på upp till 150 grader är att proteinerna i sporen inte rör sig fritt som i en vattenlösning.
— När temperaturen stiger vecklar proteinmolekyler ut sig i långa kedjor. Eftersom molekylerna i sporerna är immobiliserade trasslar de inte in sig i varandra, som de gör i vanliga celler. När temperaturen sjunker kan de veckla ihop sig igen och inget skadligt har skett med cellen, förklarar Erik Sunde.
I sina experiment har forskarna också kunnat se att sporkärnans membran släpper igenom vatten med en hastighet som är åtminstone hundra gånger lägre än för bakteriens cellmembran. Denna kompakta inre barriär skyddar sporen mot giftiga molekyler som annars skulle förstöra sporens DNA.
— Det finns oerhört mycket kvar att lära om strukturer och processer inuti levande celler. Nästan allt vi vet om proteiner kommer från provrörsförsök, men i den speciella miljön inuti en cell kan delvis nya fenomen uppträda. En molekylär förståelse av cellens struktur och dynamik är inte minst viktig för utveckling av nya läkemedel, berättar Erik Sunde.
Läs artikeln här: E P Sunde, P Setlow, L Hederstedt & B Halle, Proceedings of the National Academy of Sciences USA, vol. 106, sid. 19334-19339: http://www.pnas.org/content/early/2009/11/04/0908712106
Bertil Halle och Erik Sunde har samarbetat med Lars Hederstedt, professor i cell och organismbiologi vid Lunds universitet och Peter Setlow, professor på medicinska fakulteten vid University of Connecticut.
För mer information, kontakta Bertil Halle, professor, Biofysikalisk kemi, 046-2229516, Bertil.Halle@bpc.lu.se eller Erik Sunde, doktorand, Biofysikalisk kemi, 046-2227092, 073-7204246, Erik.Persson_Sunde@bpc.lu.se
