Bakterier i dødelig spill om resistens

Danske forskere fremsetter ny teori om bakteriers interne kriger som er med på å utvikle antibiotikaresistens. Teorien har fått navnet kasinoteorien.

Publisert
Forskere bruker ofte spillteori for å forklare naturen. Nå har danske forskere kommet med en teori de kaller for kasinoteorien. (Foto: www.colourbox.com)
Forskere bruker ofte spillteori for å forklare naturen. Nå har danske forskere kommet med en teori de kaller for kasinoteorien. (Foto: www.colourbox.com)

Fakta:

I bakteriers innbyrdes kamper kan de ulike typene deles opp i tre kategorier:

Kampstoffproduserende bakterier lager antibiotikalignende stoffer som dreper andre bakterier eller hemmer veksten deres. Kampstoffene kalles for bakteriociner, som ofte er et smalspektret antibiotikum.

Følsomme bakterier blir rammet av kampstoffene.

Resistente bakterier har utviklet et forsvar mot kampstoffene.

Hittil har forskere trodd at bakterier bare kjempet om plass. Ny forskning tyder imidlertid på at de også dreper hverandre av andre årsaker. De skjer spesielt i tider med mangel på mat.

De angriper hverandre med antibiotikalignende stoffer i mikrobiologiske kriger. Disse krigene kan være en av årsakene til at bakterier utvikler antibiotikaresistens.

Dette har fått to danske forskere til å utvikle kasinoteorien.

Forklarer resistens

Teorien beskriver evolusjonen av bakteriers produksjon av antibiotika, noe som kan forklare at noen bakterier er resistente – uten å ha møtt menneskeskapte antibiotika.

– Vi kunne se at vanlige teorier om bakteriers innbyrdes kamper ikke passet på en lang rekke bakterietyper – blant andre melkesyrebakterier, forteller mikrobiolog Jørgen Leisner ved Københavns Universitet,  som sammen med postdoktor Jakob Haaber har utviklet den nye teorien.

Artikkelen er basert på en gjennomgang av mer enn 100 studier og er publisert i tidsskriftet Proceedings of the Royal Society B.

Må vokse raskt

I menneskets tarm, hvor det hele tiden blir tilført næringsstoffer, må bakterier vokse og dele seg raskest mulig.

Hvis ikke blir antallet langsomt tynnet ut gjennom avføringen.

Under de interne krigene sikrer bakterier seg de beste vekstmulighetene. På den måten kan de selv reprodusere seg, mens de andre de andre bakterietypene blir skylt ut av systemet.

Her bruker forskere en annen teori, den såkalte stein-saks-papir-teorien til å forklare bakterienes atferd.

Kontinuerlig kamp

Først vil de kampstoffproduserende bakteriene (saksen) vokse mest i antall fordi de kan slå ned de følsomme bakteriene (papir) og skape plass til seg selv.

Deretter vil de resistente bakteriene (stein) ta over fordi de ikke produserer kampstoffer og dermed kan bruke ressursene sine på en høyere vekst.

De kan imidlertid ikke skape mer plass til seg selv fordi de ikke selv produserer kampstoffer.

Etter at de resistente bakteriene har fått overtaket, blir det igjen plass til de følsomme bakteriene som kan vokse raskere fordi de verken må produsere kampstoffer eller bruke ressurser på resistens.

På den måten har alle bakterietyper potensialet til å bli de dominerende, i et syklisk mønster. 

Annerledes utenfor kroppen

For melkesyrebakterier i naturen er forholdene imidlertid annerledes, og stein-saks-papir-teorien passer ikke for bakterier i for eksempel nedfallsfrukt.

Her er næringsstoffer begrensede, og bakteriene får ingen ekstra gevinst ved bare å drepe de andre bakteriene. Her trengs en annen teori – den som Jørgen Leisner har vært med på å utvikle.

– Vi kunne se at bakteriene først begynner å danne kampstoffer sent i vekstfasen. De får ikke mye gevinst av å begrense de andre bakterienes vekst. I stedet foreslår vi at bakteriene bruker kampstoffene til å drepe andre bakterier og ta opp næringsstoffene fra de falne.

– Dermed forlenger de egen levetid. Det betyr at de får bedre sjanser for å bli overført til en annen frukt. Til dette scenarioet har vi utviklet kasinoteorien, forteller Leisner.

Må ta risiko

I kortspillet kasino gjelder det å ta så mange kort som mulig fra midten av bordet. I bakterienes verden tilsvarer det næringsstoffer.

En kampstoffproduserende bakterie kan velge å ta ressurser fra en type følsom bakterie – eller forsøke å ramme flere typer bakterier.

I kortspillet tilsvarer dette å bygge. En spiller kan ta flere kort fra bordet ved å legge egne kort på bordet og skape en høyere numerisk verdi. Spilleren må imidlertid vente med å ta opp kortene.

Når bakteriene bygger, er de ikke garantert å få utbytte av næringsstoffene. Resistente bakterier kan komme til å snappe dem opp.

– De resistente bakteriene er en slags snyltere. De nyter godt av det andre har drept for dem. Men hvis det er for mange snyltere, bryter systemet sammen, sier Leisner.

To muligheter

De to forskerne har utviklet to mulige scenarier for utfallet av den mikrobiologiske krigen:

Hvis forholdene er lokale, og det mangler fysisk avgrensning mellom de resistente bakteriene og de kampstoffproduserende bakteriene på overflaten av frukten, vil de resistente bakteriene vinne krigen: De tar ressursene fra de kampstoffproduserende bakteriene.

Er forholdene derimot globale, med bakterier i relativt avgrensede og fysisk skilte områder, vil de kampstoffproduserende bakteriene vinne. I dette scenarioet har de resistente bakteriene ikke mulighet for å ta ressursene.

De følsomme bakteriene vinner ikke noe som helst. Formålet deres er å vokse så raskt som mulig før de blir spist av de to andre typene.

Leisner vil nå, i samarbeid med kolleger, forsøke å teste kasinoteorien ved hjelp av modellering og eksperimenter i laboratoriet.

– Det blir spennende å se om teorien holder, både for melkesyrebakteriene og de artene som produserer antibiotika, sier han.

Referanse:

Intraguild predation provides a selection mechanism for bacterial antagonistic compounds, doi: 10.1098/rspb.2012.1179Proceedings of the Royal Society B

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.