I samarbeid med forskningsmagasinet Apollon
Frem til i dag har forskere antatt at den fryktede, antibiotikaresistente bakterien som fører til urinveisinfeksjon og blodforgiftning, bare spres mellom mennesker eller mellom husdyr og mennesker.
Takket være genetiske analyser har forskere nå oppdaget at den skumle bakterien også kan spres med fugler og småkryp.
De har dessuten funnet en helt ny, genetisk forklaring på hvorfor bakterien kan spre seg så mye.
– Disse bakteriene blir stadig farligere og mer motstandsdyktige mot antibiotika. For å kunne behandle sykdommene som disse bakteriene for- årsaker, må vi forstå evolusjonen deres og forutsi hvordan de vil bli i fremtiden. Når vi forstår disse mekanismene bedre, kan vi finne metoder for å hindre spredningen. Antibiotikaresistensen må bekjempes. Vi kan bidra til denne kampen med forskningen vår, poengterer professor Jukka Corander på Big Insight, som er universitetets senter for forskningsdrevet innovasjon.
Senteret, som fysisk holder til på Det medisinske fakultet ved Universitetet i Oslo, utvikler nye, statistiske metoder for å analysere de stadig større datamengdene. Corander har utviklet ny statistikk for å tolke de enormt store datamengdene som trengs for å beskrive evolusjonen til bakteriene, hvordan genomet har endret seg over tid og hva som påvirker disse genene.
E. coli-bakteriene er de mest fremgangsrike bakteriene i verden og finnes hos nesten alle organ- ismer som har vært så heldige å få en tarmkanal. Variasjonene hos E. coli-bakteriene er enorme.
En av de mest beryktede variantene er nettopp den skumle bakterien som fører til urinveisinfeksjoner og blodforgiftninger. Denne bakterien har fått det lite spenstige navnet ExPEC. En spesiell klon av ExPEC kalles ST131.
ST131 er svært multiresistent og verstingen av de ESBL-produserende bakteriene. ESBL-bakterier har dessverre den uheldige egenskapen at de danner enzymer som spalter nesten all antibiotika. Da er sykdommen vanskelig å behandle.
ST131-varianten har spredt seg raskt verden over. Problemene oppstår når bakterien havner utenfor tarmen. Havner den i urinveiene, kan infeksjonen bli svært alvorlig. Enda verre blir det om bakterien skulle komme inn i blodet.
Skremmende
Frem til i dag har alle antatt at ST131 er genetisk tilpasset mennesker og at den derfor bare har spredt seg mellom mennesker eller mellom mennesker og husdyr. Den nye forskning-en viser at det ikke stemmer.
Forskerne har analysert bakteriegenomet fra sykehuspasienter med blodforgiftning og urinveisinfeksjon og sammenliknet dette med bakteriegenomer fra tarmen til husdyr som katter, hunder og sauer og til ville dyr og ville fugler, som kråker, ravner og skjærer – fra både Europa og Asia. Til sammen har de 250 hel-sekvenserte genomer av ST131. Dette er verdens første undersøkelse med antibiotikaresistente gener på ST131-bakterier fra dyr.
Svarene kan skremme oss alle.
– Med et så stort utvalg kan vi få vite mye mer om evolusjonen til bakterien. Vi forventet å se en forskjell på de bakteriene som kommer fra dyr og de som kommer fra mennesker. Men slektstreet viser at det ikke er noen forskjell. Det finnes antibiotikaresistente bakterier i svin og kylling, der det brukes mye antibiotika. Da er det naturlig at de utvikler antibiotikaresistente bakterier, men det er svært overraskende at det også finnes resistente bakterier i ville dyr. Bakterien var dessuten sjokkerende lett å finne hos fugler. De har nesten eksakt den samme type resistente bakterier som sykehuspasienter.
Det betyr at bakteriene klarer å hoppe fra mennesker til dyr og omvendt.
– Bakterien har nå spredt seg så mye at den lever i en stor del av populasjonen av både mennesker og dyr.
Den tyske medforskeren Sebastian Günther ved Freie Universität Berlin fant dessuten ST131-bakteriene hos fugler i Mongolia, selv om de befant seg flere hundre kilometer fra nærmeste by.
En av forklaringene kan være at smitten er spredt med trekkfugler som overvintrer i Sør-Korea, men som hekker i Mongolia.
– Disse fuglene lever nær mennesker i Sør-Korea, et land som bruker mye antibiotika. Rest-ene havner i naturen. Hvis fuglene spiser noe som inneholder resistente bakterier, tar fuglene dem med på trekket til Mongolia. Det finnes derfor et ufattelig potensial for de antibiotikaresistente bakteriene til å kunne forflytte seg tusenvis av kilometer.
Når fuglene skiter, følger E. coli-bakteriene med.
– Selv om disse bakteriene trives best i tarmen og lever der det finnes føde, kan de også overleve noen dager uten avføring. Da lever de på sparebluss. Selv om det er veldig kaldt, dør de ikke. Bakteriene kan også overleve lenge selv om fugleskitten blir dypfrossen.
Og som om ikke dette er nok:
Selv småkryp som mark nede i jorden var befengt med den samme typen resistente bakterier som sykehuspasienter. De er sannsynligvis blitt smittet gjennom fugleskitten.
Takket være ST131-genet er bakteriene dyktige til å klare seg under ulike omstendigheter. De greier seg like bra i en kråketarm som i en mennesketarm, selv om kråketarmen er fem gradere varmere enn tarmen vår.
– Mange bakterier er ikke tilpasset en slik temperaturforskjell, men denne bakterien kan du sette inn hvor som helst. Den trives altså like godt i en mark i jorden som i tarmen til en hund. Vi ønsker derfor å forstå hvordan bakterien kan bli enda farligere. Og da er det viktig å kjenne til hvilke molekylære og økologiske faktorer som gjør den så vanskelig å få has på. Vi må forstå at naturen har mange måter å spre de resistente bakteriene på. De forsvinner ikke så lett og er vanskelige å utrydde.
Ny genetisk metode
Ettersom kjernegenomet til disse bakteriene, uansett om de kommer fra mennesker, fugler eller mark, er nesten helt identisk, har Jukka Corander måttet utvikle en helt ny type statistikk for å studere bakteriene nærmere.
Forskergruppen hans har studert noe som kalles promotorer. Dette er et område nær genene i DNA-strengen som signaliserer om genene skal danne RNA-molekyler, som igjen brukes for å produsere proteiner.
– Promotorene fungerer som trafikklys. De bestemmer hvordan genene skal leses og om de skal gjøre noe eller ikke.
I den tradisjonelle teorien blir det poengtert at promotorene utvikler seg på samme måte som genene.
– Vi har oppdaget at dette ikke stemmer. Ved å bytte ut promotorene kan uttrykket av genene endres med opptil 15 prosent. Dette er en veldig viktig egenskap for evolusjonen når bakteriene skal tilpasse seg andre miljøer. Det betyr: En enkel forandring i promotoren kan bety mye for hvordan bakterien klarer å tilpasse seg.
Dette har frem til nå vært svært vanskelig å oppdage vitenskapelig. Måten forskerne oppdaget det på, var å sammenligne evolusjonen til promotorene med evolusjonen til genene.
– Evolusjonen til promotorene og genene er ikke samstemte. Promotorene har i stor grad påvirket hvordan genene har utviklet seg. Ved hjelp av promotorer kan altså genene endres.
Det betyr at bakteriene er veldig tilpasningsdyktige.
Når bakteriene kommer i nye omgivelser og får dårligere betingelser til å vokse og spre seg, motvirkes dette gjennom endringer i promotorene.
– Promotorene kan derfor gi et riktigere bilde av bakterienes evolusjon enn ved bare å se på selve genene.
Jukka Corander sier at den nye, vitenskapelige metoden deres kan sammenlignes med at astrofysikere kan se dypere inn i galakser med et enda bedre teleskop.
– Det gamle slektstreet til bakteriene er ikke feil, men med den nye metodikken vår kan vi forstå mer hvorfor bakteriene har spredt seg verden over, forteller Jukka Corander.
Den felles stamfaren til ST131 er sannsynligvis fra femtitallet eller sekstitallet, så evolusjonen av denne farlige bakterien startet derfor først for femti-seksti år siden. Likevel er det først i de siste ti årene at denne bakterien har begynt å dominere verden og forårsake farlige blodforgiftninger og urinveisinfeksjoner.
Beregningene
For å komme i mål har forskerne utviklet nye algoritmer og statistiske metoder.
– Jeg føler meg som Columbus som har funnet et nytt kontinent. Vi har funnet et nytt kontinent i bakterienes verden og har brukt en naturlig populasjon til å vise at promotorer har en viktig rolle i bakterieevolusjonen. Vi skal nå fortsette analysen med andre bakterier, slike som MRSA og andre sykehusbakterier, men vi vet fortsatt ikke om de også har en egen evolusjonær utvikling av promotorer, poengterer Corander.
Beregningene er gjort på en av verdens raskeste datamaskiner. For å løse dette ene konkrete evolusjonsspørsmålet brukte de 100 000 CPU-timer. En CPU-time er det én enkelt dataprosessor gjør på én time. Tungregnemaskiner kan kjøre flere tusen beregninger samtidig. Til andre analyser har de brukt så mye som én million CPU-timer.
Algoritmene hans trenger dessuten enormt mye minne. 3 TB minne er ikke uvanlig. Det er vel tusen ganger mer enn på en vanlig datamaskin.
Jukka Corander skal nå analysere hundre tusen gensekvenser av E. coli sammen med Sanger-instituttet i Cambridge, som har verdens største genomsenter.
Dødelig diaré
Jukka Corander har også studert evolusjonen til andre farlige E. coli-bakterier. En av dem kalles for ETEC-bakterien. Den inneholder toksinproduserende gener og forårsaker store infeksjoner i tarmen. I et belte over Jorda finnes bakterien nesten overalt. I Afrika skal det mye til for ikke å bli smittet av bakterien. 400 millioner mennesker får diaré av ETEC hvert år. Bakterien er særlig farlig for eldre og underernærte barn. I utviklingsland tar ETEC-bakterien livet av 400 000 barn hvert år.
Det har vært en allmenn oppfatning at en hvilk-en som helst E. coli-bakterie kan omdannes til en ETEC-bakterie.
Corander kan nå, sammen med forskere fra Universitetet i Göteborg og Sanger-instituttet, slå fast at dette er feil. Analysen viser at evolusjonen av ETEC har gått saktere enn antatt. Det er en positiv nyhet.
– Da vil det kanskje være mulig å utvikle en vaksine mot ETEC-bakterier, forteller Jukka Corander.
Artikkelen ble først publisert i Apollon.
