Der findes i millionvis af forskellige bakteriearter, som på forskellige måder spiller en rolle for balancen i os mennesker, miljøet omkring os og på hele jorden. I dag er kun en forsvindende lille del af disse kendt og beskrevet, så vor viden om alle disse bakterier, ofte kaldet jordens ”sorte materiale”, er næsten lig nul.
Den nuværende mangel på viden kan illustreres på følgende måde: Alle jordens bakteriearter kan inddeles i cirka 80 overordnede klasser eller grupperinger. Kun i 30 af klasserne er enkelte eller flere bakteriearter kortlagt helt ned i genetisk detalje; et faktum, der begrænser forskernes mulighed for at forstå bakteriernes funktion og opførsel, og dermed muligheden for at kontrollere eller udnytte bakterierne.
I løbet af de næste få år vil dette dog ændre sig markant – forskere fra Institut for Kemi og Bioteknologi ved Aalborg Universitet har nemlig i skarp konkurrence med internationale konkurrenter udviklet en metode, der kan kortlægge genomer fra bakterier, der hidtil har undsluppet forskernes forsøg på indfangning.
- Vi har udviklet en metode, der kan give os greb om genomer, også kaldet kromosomer, fra de mange bakterier, man ikke kan dyrke i et laboratorium, og når man kender deres genom kan man forudsige, hvad bakterierne kan og gør, og bruge det til at forstå, styre og kontrollere bakteriesamfund, fortæller Per Halkjær Nielsen, professor ved Institut for Kemi og Bioteknologi, og en af forfatterne til den videnskabelige artikel om metoden, der netop er bragt i Nature Biotechnology.
50 bakterieklasser på fem år
Forskernes opdagelse består helt konkret af en metode, der langt mere effektivt end hidtidige metoder kan finde genomer fra enkelte bakterier i såkaldte metagenomer. Et metagenom er groft sagt DNA information fra alle bakterier, der er i en prøve, for eksempel et skrab fra en tand, en klump jord eller vand fra Atlanterhavet.
De 30 bakterieklasser, der allerede er delvist kortlagt, er blevet det ved, at forskerne først har isoleret bakterier, der repræsenterer de enkelte klasser, dyrket dem i et laboratorium og så kortlagt genomerne. Men for de mange andre bakterieklasser har man endnu ikke kunnet isolere repræsentanter, og her har forskningen hidtil løbet panden mod en mur.
- De seneste år har alle de store forskergrupper rundt omkring i verden, der arbejder med dette område, forsøgt at gøre det, vi nu har gjort. Nogle er kommet et stykke vej, men vi har lavet en klar forbedring af de hidtidige metoder, som medfører, at man formentlig inden for de næste fem år vil have kortlagt genomerne for alle de bakterieklasser, der endnu ikke er kortlagt, siger Per Halkjær Nielsen.
Ph.d.-studerende overhaler alle
Ophavsmanden til den nye metode er den ph.d.-studerende Mads Albertsen, der på trods af sin korte erfaring som forsker har formået at overhale adskillige internationale forskergrupper indenom.
- Vi stødte ind i problemet med at isolere bakteriegenomer fra metagenomer, men så kom en dygtig studerende, Mads Albertsen, med en genial idé, siger Per Halkær Nielsen, der også er Mads Albertsens ph.d.-vejleder.
Mads Albertsens idé var at sammenkøre flere forskellige prøver, der indeholder samme bakterie, og lede efter de ting, der stemmer overens i de forskellige prøver. Han forklarer, at det minder om den måde, man finder en mobiltelefons position, såkaldt triangulering.
- Ved at have flere forskellige prøver, hvor de samme bakterier er til stede i forskellig hyppighed, kan vi udpege enkelte bakterier og kortlægge deres genom – selvom der er mange forskellige bakterier i til stede i metagenomet, forklarer Mads Albertsen.
Et meget stort fremskridt
Ud fra Mads Albertsens idé har forskerne videreudviklet på metoder til at trække DNA ud, til at behandle data og fundet nye måder at kombinere analysemetoder. De har også skrevet nogle nye programmer, der bidrager i analysen. Og resultatet er altså samlet set en metode, der virkelig rykker feltet fremad.
- Interessen for det her er meget stor, og også større, end vi måske havde troet. Det er noget, mange gerne har villet i lang tid, og derfor betyder metoden meget for en masse forskere, fra dem der arbejder med grundlæggende forståelse af bakterier til dem, der udvikler lægemidler og kemikalier. Når artiklen er publiceret i Nature Biotechnology, vil de alle have adgang til metoden, fortæller Per Halkjær Nielsen.
Forskerne arbejder videre med den nye metode, som nu skal bidrage i praksis til at kortlægge de mange bakterier, hvis funktion man ikke kender.
- Vi skal bruge metoden til at finde bakterier, hvis genomer ser interessante ud. Vi har en række projekter i gang, lige fra bakterier på svampe i koralrev til bakterier, der arbejder i biogasreaktorer, fortæller Per Halkjær Nielsen.
Yderligere oplysninger:
• Professor Per Halkjær Nielsen, Institut for Kemi og Bioteknologi, tlf. 2173 5089.
• Ph.d.-stipendiat Mads Albertsen, Institut for Kemi og Bioteknologi, tlf. 2293 2191.
Fakta:
• Metoden betyder ifølge professor Per Halkjær Nielsen, at både grundforskning i bakteriers opførsel og funktion og mere strategisk forskning i for eksempel bakterieinfektioner, bioenergi eller enzymbaserede lægemidler vil kunne rykke fremad. Det er således et godt eksempel på, at grundforskning og strategisk forskning sagtens kan gå hånd i hånd.
• I forbindelse med udviklingen af metoden har forskerne kortlagt genomet for en bakterieart tilhørende en hidtil ubeskrevet bakterieklasse, som man førhen kun kendte på baggrund af enkelte gener. Klassen har haft hidtil haft navnet ”TM7”, men fordi forskerne er de første, der har beskrevet en bakterie fra denne klasse på genom-niveau, har de lov til at navngive både klassen og den aktuelle bakterie. De har valgt at navngive klassen Saccharibacteria, idet de hovedsageligt spiser sukkerstoffer, og Candidatus Saccharimonas aalborgensis for selve bakterien. Navnet TM7 er nummeret på en tysk jordprøve, hvori DNA spor fra denne klasse første gang blev fundet i 1996. Den blev fundet ved at bruge et bestemt markørgen kaldet ”16S rRNA”, et gen som alle bakterier har og som generelt benyttes til at identificere bakterier med. Man har sidenhen også fundet samme DNA-spor mange andre steder i naturen, i tekniske systemer (fx renseanlæg) og i mennesket, bl.a. i prøver fra tarmen og fra bakteriebelægninger på tænder. Nogle studier har sat disse bakterier i forbindelse med sygdomme, men det er ikke endeligt påvist.
• Genomet er usædvanligt lille. Mens de fleste bakterier har 4-5000 gener, så har de 4 genomer, som forskerne har samlet af bakterier tilhørende klassen Saccharibacteria, kun ca. 1000 gener. Det er ikke meget mere end de 700-800 gener hos de mindste genomer af fritlevende bakterier, man kender i dag. De få gener betyder også, at bakterierne har en ret simpel fysiologi. De kan stort set, så vidt forskerne kan se fra genomet, kun spise forskellige sukkerstoffer (derfor navnet) og kan kun fermentere (forgære) disse. De lever derfor kun på steder, hvor der ikke, eller kun i ringe grad, er ilt tilstede.
• Bakterier tilhørende klassen Saccharibacteria er også usædvanlige på en anden måde. Langt de fleste af de 30 beskrevne bakterieklasser er såkaldte Gram-negative bakterier. Kun 2 af disse klasser er Gram-positive, og det har forskerne fundet, at Saccharibacteria også er. Når en bakterie er Gram-positiv betyder det, at den farves med et bestemt farvestof, som farver bestemte komponenter i deres cellevæg. De er generelt meget robuste og er sandsynligvis efterkommere af nogle af de første bakterier, som blev udviklet på jorden for 3-4 milliarder år siden.