Jord kan vara en underbar källa till bakterier som kan göra nya antibiotika. |

Gynnsamma bakterier

Bakterier är fascinerande och rikliga varelser som lever i nästan varje livsmiljö på jorden, inklusive våra kroppar. Även om vissa är skadliga och andra verkar inte ha någon inverkan på våra liv är många bakterier mycket användbara. Forskare har nyligen upptäckt en markbakterie som producerar ett tidigare okänt antibiotikum. De har också upptäckt en ny familj av antibiotika tillverkade av markorganismer. Dessa upptäckter kan vara mycket viktiga. Vi behöver desperat nya sätt att bekämpa bakterieinfektioner hos människor, eftersom många av våra nuvarande antibiotika förlorar effektiviteten.

Hälsosam jord är en rik bakteriekälla. Forskning tyder på att ett betydande antal av dessa mikrober kan producera kemikalier som kan användas som humanläkemedel. Forskare undersöker ivrigt denna till stor del outnyttjade resurs. I USA har en organisation till och med tagit in allmänhetens hjälp med att hitta markprover för att analysera.

Odlingar av jordbakterier som växer i petriskålar i ett laboratorium |

Hur fungerar antibiotika?

Bakterier är mikroskopiska organismer. De är också enhälliga, även om de ibland går ihop för att bilda kedjor eller kluster. Forskare upptäcker att mikroberna, trots sin uppenbara enkelhet, är mer komplexa än vi insåg.

En av de mest användbara förmågan hos bakterier när det gäller människor är att göra antibiotika. Ett antibiotikum är en kemikalie tillverkad av vissa bakterier (eller svampar) som antingen dödar andra bakterier eller hämmar deras tillväxt eller reproduktion. Läkare föreskriver antibiotika för att förstöra skadliga bakterier som orsakar sjukdom.

Den nuvarande antibiotiken fungerar genom att störa en aspekt av bakteriell biologi som inte är en del av människans biologi. Det betyder att de skadar skadliga bakterier men inte skadar våra celler. Några exempel på deras åtgärder inkluderar följande.

  • Vissa antibiotika blockerar cellväggens produktion i bakterier. Mänskliga celler har ingen cellvägg, så de skadas inte av kemikalierna.
  • Andra antibiotika hindrar strukturer som kallas ribosomer från att göra proteiner i bakteriecellen. Människor har ribosomer också. Det finns emellertid viktiga skillnader mellan bakteriella och humana ribosomer. Våra skadas inte av antibiotika.
  • Ytterligare andra antibiotika fungerar genom att bryta upp bakterie-DNA (men inte vårt) när det kopieras. DNA är det genetiska materialet i celler. Den replikeras före celldelningen så att varje dottercell kan få en kopia av DNA: t.

Hur blir bakterier resistenta mot antibiotika?

Vi måste upprepade gånger hitta nya antibiotika på grund av ett fenomen som kallas antibiotikaresistens. I denna situation fungerar inte längre ett antibiotikum som en gång dödade en skadlig bakterie. Mikroben sägs ha blivit resistent mot kemikalien.

Antibiotikaresistens utvecklas på grund av genetiska förändringar i bakterier. Dessa förändringar är en naturlig del av en bakteries liv. Överföring av gener från en individ till en annan, mutationer (förändringar i gener) och överföring av gener med virus som infekterar bakterier ger mikroberna nya egenskaper. Det betyder också att medlemmarna i en bakteriepopulation inte är helt identiskt genetiskt.

När en bakteriepopulation attackeras av ett antibiotikum kan många av bakterierna dödas. Vissa medlemmar i befolkningen kan överleva eftersom de har en gen (eller gener) som gör det möjligt för dem att motstå attacken. När dessa resistenta bakterier reproduceras kommer en del av deras avkommor också att ha den användbara genen. En stor population av resistenta organismer kan så småningom bildas.

Antibiotikaresistens är mycket oroande. Om vi ​​inte kan hitta nya sätt att döda bakterier kan vissa infektioner bli obehandlingsbara. Vissa allvarliga sjukdomar har redan blivit mycket svårare att behandla. Sökandet efter nya antibiotika från jordbakterier är därför mycket viktigt.

Hitta nya antibiotika i jord

De flesta av våra nuvarande antibiotika härstammar från bakterier som lever i jorden, som på de flesta platser vasslar av mikroskopiskt liv. En tesked frisk jord innehåller miljoner eller till och med miljarder bakterier. Det är oerhört svårt att odla dessa organismer i laboratorieutrustning, vilket gör att antibiotikaupptäckten är en långsam process.

Forskare vid nordöstra universitetet i Boston, Massachusetts, har skapat en ny metod för att odla fångstbakterier i jord. Bakterierna finns i speciellt konstruerade behållare som placeras i jorden istället för i ett laboratorium. Forskarna kallar sin nya behållare för iChip. Det gör att näringsämnen och andra kemikalier i jorden når bakterierna.

2015 rapporterade forskarna upptäckten av tjugofem nya antibiotika som gjordes av jordbakterier efter att ha använt deras iChip. Det är osannolikt att alla dessa kemikalier kommer att vara lämpliga läkemedel. Ett antibiotikum måste döda eller hämma specifika bakterier eller specifika stammar av mikroberna. Det måste också vara potent i stället för endast svagt antibakteriellt för att vara medicinskt användbart. En kemikalie som upptäckts av forskarteamet verkar dock passa dessa krav och ser mycket lovande ut. Det har fått namnet teixobactin. Forskning och utveckling av kemikalien fortsätter. Under 2017 gjorde forskare vid University of Lincoln i Storbritannien en syntetisk version av teixobactin i sitt labb.

Vanligtvis kan bara cirka 1% av mikroberna i ett jordprov växa i labbet. IChip expanderar denna bråk till 50%

- Heidi Ledford på nature.com

Teixobactin

Teixobactin tillverkas av en bakterie som heter Eleftheria terrae. Hos möss har det visat sig förstöra en farlig dos av MRSA-bakterien utan att skada djuren. I laboratorieutrustning har den dödat Mycobacterium tuberculosis, vilket orsakar tuberkulos eller tuberkulos. Det har också dödat många andra bakterier som orsakar sjukdom. Teixobactin måste testas på människor för att se om det har samma effekter i oss som det gör i labbet.

MRSA står för meticillinresistent Staphylococcus aureus. Denna bakterie producerar en mycket problematisk infektion eftersom den är resistent mot många vanliga antibiotika. Infektionen kan fortfarande behandlas, men behandlingen är ofta svår eftersom antalet läkemedel som påverkar bakterien minskar.

Bakterier klassificeras i två huvudkategorier baserat på deras reaktion på ett test som kallas gramfärgning. De sägs vara antingen gramnegativa eller grampositiva, beroende på resultatet av färgningsförfarandet. Tyvärr påverkar teixobactin endast grampositiva bakterier. Vi kan dock upptäcka antibiotika som kan påverka gramnegativa bakterier via iChip-tekniken.

Handlingsmetod

Teixobactin verkar agera annorlunda än andra antibiotika. Det påverkar lipider (feta ämnen) i cellväggen i en bakterie. De flesta antibiotika gör sitt jobb genom att störa proteiner istället. Forskarna tror att det kommer att vara svårt för bakterier att utveckla resistens mot teixobactin på grund av kemikaliens funktionssätt.

Sedan kemikaliens upptäckt har forskare försökt förstå strukturen för en teixobactinmolekyl och att göra syntetiska derivat. De har lyckats med båda dessa mål. De är viktiga mål eftersom läkemedlet måste produceras i större mängder än vad som kan göras i iChips. Baserat på den kunskap de fått, kan forskare dessutom skapa förbättrade versioner av läkemedlet i labbet.

Upptäckten av teixobactin och antydningarna att jordbakterier producerar andra användbara kemikalier har väckt forskare. Vissa forskare har till och med kallat upptäckten av det nya antibiotikumet för en "spelväxlare". Jag hoppas verkligen att detta är sant.

Ett färgat foto taget med ett skanningsmikroskop som visar neutrofiler (en typ av vita blodkroppar) som sluter MRSA-bakterier |

Drugs From Dirt and Citizen Science

Att hitta nya antibiotika är ett brådskande problem. Upptäckten av nya bakterier i jord kan hjälpa oss att lösa detta problem. Det skulle vara mycket tidskrävande och dyrt för forskare att resa runt i världen för att samla markprover i hopp om att hitta användbara bakteriekemikalier.

Sean Brady, professor vid Rockefeller University, har skapat en potentiell lösning för detta problem. Hans lösning erbjuder också människor den underbara möjligheten att bidra till en viktig vetenskaplig strävan, även om de inte själva är forskare.

Brady har skapat webbplatsen Drugs From Dirt för att hjälpa honom med sin strävan efter nya bakterier. Han ber människor att skicka honom markprover från varje stat i USA. Han har också utökat sin kampanj till andra länder. Individer och grupper kan anmäla sig till markuppsamlingsprocessen på webbplatsen. Om de väljs för att samla mark, kommer de att få e-postinstruktioner om insamlingsprocessen och fraktmetoden för provet. De kommer också att skickas en rapport som beskriver vad som hittades i jorden.

Brady och hans team är särskilt intresserade av att få markprover från ovanliga platser, till exempel i grottor och nära varma källor. De hoppas också kunna arbeta med naturvetenskapskurser från skolor och med individer.

En sektion av en DNA-molekyl; varje nukleotid består av ett fosfat, ett socker som kallas deoxiribos och en kvävehaltig bas (adenin, tymin, cytosin eller guanin) |

Vad är DNA?

I allmänhet kommer forskarna bakom Drugs From Dirt inte att utvinna nya kemikalier från jorden och sedan testa dem för att se om de är antibiotika, som man kan förvänta sig. Istället kommer de att ta ut bitar av DNA från jorden och analysera dem

Deoxyribonucleic acid, eller DNA, är den kemikalie som utgör gener av levande saker. Den består av en lång, dubbelsträngad molekyl som är lindad för att skapa en spiral. Strängarna för en DNA-molekyl är tillverkade av "byggstenar" kända som nukleotider. Varje nukleotid innehåller en fosfatgrupp, ett socker känt som deoxiribos och en kvävehaltig bas.

Fyra olika baser finns i DNA - adenin, tymin, cytosin och guanin. Ordningen på baserna på en sträng av DNA-molekylen bildar den genetiska koden, ungefär som bokstävernas ordning på ett skriftligt språk bildar meningsfulla ord och meningar. DNA-koden kontrollerar egenskaperna hos en organisme genom att styra produktionen av proteiner. En gen är ett DNA-segment som kodar för ett specifikt protein.

Endast den kodande strängen för DNA-molekylen "läses" under proteinsyntes. Den andra strängen kallas mallsträngen. Denna sträng krävs under DNA-replikering, som äger rum innan en cell delar sig.

Strukturen för DNA och nukleotider

Analysera DNA i jordbakterier

Sekvensering av DNA

Jordbakteriens DNA finns i deras celler medan de lever och släpps ut i jorden när de dör. Läkemedlen från smutsforskare extraherar detta DNA från jorden som de får, replikerar det och sedan sekvenserar det med hjälp av ett specialiserat laboratorieinstrument som kallas en DNA-sekvenser. "Sekvensering" -DNA betyder bestämning av basernas ordning i molekylen.

Forskarna letar efter intressanta och möjligen betydande bas- (eller nukleotid) -sekvenser i DNA från jord. Det som ofta händer i experiment som detta är att DNA transplanteras till laboratoriebakterier. Dessa bakterier införlivar ofta det transplanterade DNA: et i sitt eget DNA och utför dess instruktioner, och gör ibland nya och användbara kemikalier som ett resultat.

En sekvensdatabas

Projektet Drugs From Dirt har genomfört några DNA-transplantationer till bakterier med hjälp av det genetiska materialet som de har hittat. De har också skapat en digital databas med bassekvenserna som de har upptäckt. Andra forskare kan komma åt denna databas och använda informationen i sin egen forskning.

Fruktbar jord innehåller troligen många bakterier. |

Malacidins

I början av 2018 rapporterade Sean Brady att hans team hade upptäckt en ny klass antibiotika från jordbakterier, som de har kallat malacidiner. Antibiotika är effektiva mot MRSA samt vissa andra farliga grampositiva bakterier. De kräver närvaro av kalcium för att göra sitt jobb. Det kommer förmodligen att ta någon tid innan malacidiner finns som läkemedel. Liksom teixobactin måste de testas för effektivitet och säkerhet hos människor.

Forskarna vet inte vilka jordbakterier som gör malacidiner, men som Sean Brady säger, de behöver inte. De har upptäckt den sekvens av gener som krävs för att tillverka kemikalierna och kan infoga relevant DNA i laboratoriebakterier, som sedan gör malacidinerna.

Hopp för framtiden: Nya läkemedel från jordbakterier

Sökandet efter bakterier i marken visar sig vara spännande. De två teknikerna som beskrivs i den här artikeln - att skapa fångade bakteriekulturer i jord och sekvensbestämma DNA från jordbakterier - kan bli mycket viktiga.

Vi måste lära oss så mycket vi kan om bakterier som lever i jord. Vi måste också förstå utvecklingen av antibiotikaresistens mer detaljerat. Det skulle vara en stor skam om bakterier snabbt blir resistenta mot nya antibiotika som vi upptäcker.

Tiden kommer att visa om jordbakterier uppfyller våra förväntningar. Situationen är verkligen hoppfull. Organismerna kan spela en viktig och till och med viktig roll i vår framtid.

referenser

  • MedlinePlus (en webbplats med National Institutes of Health) har en resurssida om antibiotikaresistens.
  • Upptäckten av ett nytt antibiotikum från jordbakterier beskrivs på nature.com.
  • Upptäckten av molekylstrukturen för teixobactin beskrivs av University of Lincoln i Storbritannien.
  • Människor kan skicka markprover för analys på webbplatsen Drugs From Dirt.
  • Upptäckten av en ny familj av antibiotika (malacidiner) beskrivs av Washington Post.