Når steiner på bunnen av en elv er glatte, er årsaken ofte at de er dekket av biofilm. (Foto: Colourbox)
Når steiner på bunnen av en elv er glatte, er årsaken ofte at de er dekket av biofilm. (Foto: Colourbox)

Bakteriene er smartere enn du tror

De danner organiserte samfunn som forårsaker glatte steiner, plakk på tennene og alvorlig sykdom. Det kjipeste er at bakteriene lager biofilmer som beskytter dem mot antibiotika.

Publisert

Biofilm

Belegg av bakterier i en egenprodusert substans av polysakkarider, proteiner og DNA fra bakteriene, festet til et underlag.

I en biofilm er bakteriene mindre sensitive for antibiotika og for det normale immunforsvar enn når de er frittsvømmende enkeltceller.

Biofilm kan dannes blant annet på tenner, i lunger (for eksempel cystisk fibrose-pasienter), på katetere eller kirurgiske implantater, i vannrør og i kjøletårn. Biofilm er også bidragsyter til glatte steiner langs vann og bekker.

Det er ganske vanlig å tenke på bakterier som grupper av enkeltceller som svømmer rundt for seg selv.

– Men bakteriene er mer avanserte enn som så, forteller professor Ole Andreas Løchen Økstad ved Universitetet i Oslo.

Mange bakterier danner nemlig bakteriesamfunn eller biofilmer – belegg av bakterier.

– Mye tyder på at biofilmene er bakterienes opprinnelige og naturlige levemåte og ble utviklet for mer enn tre milliarder år siden, sier Økstad, som leder en forskergruppe som forsker på slike filmer.

Den jordlevende bakterien Bacillus subtilis kan danne en av de biofilmene som er best kartlagt. Det finnes i alle fall fem til seks ulike celletyper i en biofilm med B. subtilis-bakterier.

Konfokalmikroskopfoto av en cirka 0,1 millimeter høy biofilm med Bacillus-bakterier. Biofilmen har soppformede strukturer som står opp fra underlaget. Levende celler er vist i grønt, døde i rødt. (Foto: Farmasøytisk institutt, UiO)
Konfokalmikroskopfoto av en cirka 0,1 millimeter høy biofilm med Bacillus-bakterier. Biofilmen har soppformede strukturer som står opp fra underlaget. Levende celler er vist i grønt, døde i rødt. (Foto: Farmasøytisk institutt, UiO)

Biofilmer kan bestå av én enkelt art bakterier eller av mange ulike arter. Fellestrekket er at noen av bakteriene har oppgaven med å produsere den karakteristiske substansen som omgir cellene i biofilmen, og som forskerne kaller ekstracellulær polymersubstans (EPS).

Substansen består ofte av en blanding av for eksempel proteiner og DNA fra døde bakterier.

– Alt dette fungerer som et slags lim, sier Økstad.

Biofilmens utvikling starter som regel ved at enkeltceller slår seg ned på en fast overflate og binder seg til den. Der vokser de og deler seg, og de begynner etter hvert å sende signaler til hverandre.

– Dermed blir det dannet en mikrokoloni som begynner å produsere EPS. Etter hvert begynner cellene å spaltes til ulike subtyper, slik at de kan utføre ulike oppgaver, forteller Økstad.

Kannibaler og tunnelbyggere

I biofilmer med bakterier av arten Bacillus subtilis har forskerne funnet flere ulike celletyper. De har for eksempel funnet celler som produserer EPS for hele biofilmen.

I tillegg har de funnet kannibalceller som dreper egne «søsken», andre celler som kan ta opp DNA fra døde bakterier og atter andre celler som lager tunneler i biofilmen.

Tunnelene brukes til å frakte næringsstoffer inn til bakteriene som skjuler seg inne i filmen, og til å frakte avfallsstoffer ut.

Bacillus subtilis lager biofilmer som også inneholder sporer, det vil si inaktive bakterieceller som har kapslet inn sitt eget DNA bak et nærmest ugjennomtrengelig lag av proteiner og membraner. Slike sporer kan overleve svært kraftige kjemiske og fysiske belastninger, forteller Økstad.

Bacillus subtilis lever forresten ikke bare i jord – den kan også leve på gress og i høy. Dessuten slår den seg gjerne ned i menneskers og andre dyrs fordøyelseskanal, der den stort sett oppfattes som harmløs.

Sleipe steiner dekket av biofilm

Mens mennesker danner samfunn hvor arbeidsoppgavene er delt mellom jordbrukere, håndverkere, kontorarbeidere, politifolk og så videre, danner altså bakteriene samfunn hvor oppgavene er fordelt etter andre prinsipper.

Men begrunnelsen er noe av den samme: Å gjøre det enklere å overleve i et miljø som kan være krevende.

– Det finnes biofilmer nær sagt overalt i naturen hvor du har en fast overflate og et vannholdig miljø. Du har sikkert merket at steiner i rennende vann kan være veldig glatte. En årsak til dette er at de er dekket av biofilm, forteller Økstad.

Beskytter bakteriene mot antibiotika

Professor Ole Andreas Økstad ved Farmasøytisk institutt ved Universitetet i Oslo. (Foto: UiO)
Professor Ole Andreas Økstad ved Farmasøytisk institutt ved Universitetet i Oslo. (Foto: UiO)

At bakteriene danner, biofilmer innebærer blant annet at det blir vanskeligere å ta knekken på dem med antibiotika.

Tidligere forskning har vist at dannelsen av biofilm er involvert i mange infeksjoner. Noen mener at andelen er så høy som 70–80 prosent.

– Det er godt kjent at bakterier i biofilm vokser saktere enn frittlevende bakterier. Det er et problem fordi de fleste antibiotika virker best mot bakterier i aktiv vekstfase. Bakterier i en biofilm vokser så sakte at de kan være opptil 1000 ganger mer resistente mot antibiotika enn hvis de hadde vært frittlevende bakterier, forteller Økstad.

Forskere ved både universiteter og i farmasøytiske bedrifter jobber derfor med å utvikle metoder som kan gjøre bakteriene mer tilgjengelige for antibiotika igjen.

– Det hadde vært veldig kjekt å finne et eller flere stoffer som kan «løse opp» biofilm og gjøre bakteriene mer frittsvømmende og sårbare. Men her er det mye igjen å gjøre, tilføyer Økstad.

Kan gi infeksjoner og sykdom

Bakterier i biofilmer kan i mange tilfeller forårsake til dels alvorlige sykdommer.

Kunstige hofter og andre kirurgiske implantater risikerer å bli dekket med biofilm. Dette kan gi så alvorlige infeksjoner at implantatene må tas ut igjen.

Det er også forholdsvis vanlig at personer med urinveisinfeksjoner får dannet biofilmlignende strukturer inne i cellene langs urinveiene. Dette kan fungere som et reservoar for nye infeksjoner.

Matvareindustrien må hele tiden kjempe mot bakterier som gjerne lager biofilm på for eksempel metalloverflater hvis renholdet ikke er godt nok.

I munnhulen hos de fleste mennesker kan det leve mange hundre bakteriearter samtidig, og de danner fort biofilmer hvis tannpussen ikke skjer ofte nok. «Plysj på tenna», eller plakk, er egentlig en slags biofilm.

Signaliserer til hverandre

Bakterier i biofilmer spiller også en rolle i alvorlige sykdommer som for eksempel cystisk fibrose.

Denne genetiske sykdommen skyldes en mutasjon som fører til et defekt transportprotein i cellemembranen i pasientenes egne celler. Det fører igjen til at det naturlige slimet i blant annet bronkiene, blir svært seigt.

Dette gir bakterien Pseudomonas aruginosa en anledning til å slå seg ned i bronkiene og danne en biofilm som gjør det vanskelig å behandle med antibiotika.

Økstads forskergruppe har jobbet med biofilm siden 2008. De publiserte nylig en vitenskapelig artikkel som avslører hvordan bakteriers evne til å danne biofilmer styres av signalveier inne i bakteriecellen, blir påvirket av signaler fra omverdenen og endrer sitt eget levesett deretter.

De undersøkte effekten av ti gener som regulerer biofilmdannelse hos matforgiftningsbakterier i Bacillus cereus-gruppen, som er slektninger til Bacillus subtilis. Forskerne beskrev også hvordan bakteriene kan være i stand til å fange opp signaler fra miljøet.

– Signalene kan handle om for eksempel hvor mye oksygen som er til stede i miljøet. Det vi så, var at bakteriene fanget opp disse signalene og reagerte med å slå gener av og på.

– De kunne for eksempel slå av eller på gener som påvirker dannelsen av biofilm eller produksjonen av giftstoffer, hvis det var en gunstig reaksjon i forhold til miljøet, forteller Økstad.

Det er ennå et ubesvart spørsmål om disse bakteriene kan bruke biofilm som en feste- og overlevelsesmekanisme for eksempel på stål i melketanker og lignende.

Noen bakterier er gunstige

– Men vi skal huske på at de fleste bakterier ikke er skadelige. Tvert imot – mange av dem er faktisk gunstige for oss, understreker professoren.

Vi mennesker skal for eksempel være veldig glade for at vi går rundt og bærer på én–to kilo bakterier bare i tykktarmen, for uten dem ville vi fått store problemer blant annet med fordøyelsen og med å oppnå et fullverdig immunforsvar.

– Menneskekroppen inneholder i det hele tatt minst like mange bakterieceller som menneskeceller, og de aller fleste lever vi godt sammen med, forteller Økstad.

Referanse:

Fagerlund mfl: Cyclic-di-GMP regulation of Bacillus cereus group biofilm formation (link is external). Molecular Microbiology, juni 2016, doi: 10.1111/mmi.13405. Sammendrag