Endosporer - bakteriernas egna skyddsrum:

BAKTERIER KAN ÖVERLEVA I MILJONTALS ÅR

Den är naturens mest tåliga livsform. Liten, mystisk och ibland livsfarlig. En sort gömmer mjältbrand. Andra ställer till med matförgiftning eller stelkramp.
Följ med in på en upptäcktsfärd bland endosporer – bakteriernas egna skyddsrum där de kan vänta miljontals år på rätt tillfälle att aktivera sig.

Bakterier - riktiga överlevare.

Bakterier - riktiga överlevare.

I en endospor kan en bakterie vänta på bättre tider. När vissa bakterier saknar näring eller riskerar att dö på något annat sätt, kan de förskansa sig bakom ett pansarstarkt skal och bida sin tid. När förhållandena blir gynnsamma igen, och det kan ta hur lång tid som helst, förvandlas endosporen till en bakterie på bara några minuter.

Och de kan vänta länge.

– Man har hittat endosporer i saltkristaller som är 250 miljoner år gamla, säger Lars Hederstedt, professor i mikrobiologi vid Lunds universitet.

Men hur kan endosporerna överleva? Hur kan de klara sig utan näring, stå emot både ultraviolett strålning, gammastrålning, höga temperaturer och kemikalier?

Frågorna har länge gäckat den vetenskapliga världen, men nu visar tre svenska och en amerikansk forskare att en viktig del av förklaringen ligger i vattnets och proteinets rörelser inne i endosporen.

Bertil Halle, professor i fysikalisk kemi på Lunds universitet och Erik Persson Sunde, nybliven doktor i fysikalisk kemi, har med hjälp av mikrobiologen Lars Hederstedt och Peter Setlow, professor på den medicinska fakulteten på University of Connecticut, upptäckt egenskaper som hittills varit okända.

Mysteriet med denna naturens största överlevnadskonstnär med de ibland dödliga egenskaperna kan vara på väg mot en lösning, och på lång sikt kan det betyda att man kan komma åt bland annat bioterrorism, där mjältbrandsattackerna i USA efter 11 september 2001 är det senaste exemplet.

Men livsmedelsindustrin och sjukvården, där endosporer är ett ständigt hot, är naturligtvis också mycket intresserade av att man löser gåtan.

Endosporer har kraftiga väggar som skyddar dem och gör att de kan stå emot det mesta. På bilden en Bacillus subtilis – den bakterie forskarlaget har använt. Bild: SPL

Endosporer har kraftiga väggar som skyddar dem och gör att de kan stå emot det mesta. På bilden en Bacillus subtilis – den bakterie forskarlaget har använt. Bild: SPL

Sporer

Endosporers egenskaper har varit en gåta som förbryllat vetenskapen, eller som Lars Hederstedt uttrycker det:

– Problemet har drivit delar av den mikrobiologiska forskningen i mer än 50 år.

Forskningsrapporten ”The physcial state of water in bacterial spores”, som just publicerats i den ansedda amerikanska vetenskapstidskriften PNAS, fokuserar just på endosporer.

Endosporer kommer från bakterier och påminner om sporer hos växter, svampar och encelliga djur. Men även om det är ett slags sporer, så ska man inte förväxla dem med andra sporer.

Spor kommer från grekiskans ”spora” som betyder ’frö’, men skiljer sig mycket från vanliga frön. Många livsformer förökar sig med hjälp av sporer, exempelvis svampar och alger­, men också växter som mossa och ormbunkar. Hos bland annat amöbor, plankton och toffeldjur, som är protozoer (urdjur) är sporer ett vanligt sätt att föröka sig på. Till släktet protozoer hör flera fruktade parasiter, till exempel de som orsakar malaria och amöba­dysenteri.

Sporangium kallas den del av en organism som bildar sporer. Om sporbildningen sker inuti sporangiet är det fråga om endosporer, och om de bildas på utsidan kallas resultatet exosporer­.

När det gäller alger, svampar, mossa och lavar ombildas alla celler till sporer i något som kallas fragmentering. En del alger har zoosporer och de kan röra sig med hjälp av flageller, små piskliknande utskott.

En bakterie (Clostridium difficile) i färd med att bilda en endospor, markerad med rött. Bild: SPL

En bakterie (Clostridium difficile) i färd med att bilda en endospor, markerad med rött. Bild: SPL

Endosporer

Endosporerna är bakteriernas eget skyddsrum, där bakterier kan ”gömma sig” praktiskt taget hur länge som helst. Flera sorters bakterier bildar endosporer, men de mest förekommande exemplen är Bacillus och Clostridium.

Arterna inom Bacillus och Clostridium ställer till mycket problem för oss människor. Bacillus anthracis är den fruktade mjältbrandsbakterien och Bacillus cereus kan leda till matförgiftning.

Fyra arter av Clostridium är problematiska för oss människor. Clostridum botulinum bildar det extremt giftiga ämnet botulin, vilket kan leda till botulism med förlamning och i värsta fall döden som följd.

Clostridium perfringens kan orsaka matförgiftning och i sällsynta fall den otäcka sjukdomen gasgangrän, en sorts kallbrand. Clostridium tetani orsakar stelkramp medan Clostridium difficile är bakterieboven i dramat pseduomembranös kolit, en besvärlig infektion i tjocktarmen.

Eftersom de är extremt tåliga är endosporer ett gissel för både sjukvården och livsmedelsindustrin. I sjukvården måste man använda autoklaver, en form av tryckkokare, för att döda endosporer. Och det krävs temperaturer på över 100 grader för att få död på dem.

Inom livsmedelsindustrin, där vissa livsmedel både förlorar näringsämnen och en del av smaken om de utsätts för så höga temperaturer, är det ett stort problem med att oskadliggöra endosporer. Men än så länge har man inget annat val än kraftig upphettning.

Bacillus cereus är en bakterie som finns i jord och som lätt följer med ris, spannmål och rotfrukter. Just ris är ett stort problem – varmhållning kan göra att endosporen utvecklas till en bakterie.

Skyddad mot det mesta

Bertil Halle och Erik Persson Sunde använde endosporer av arten Bacillus subtilis, en av de snällaste bakterierna i Bacillus-släktet, för att ta reda på varför endosporer är så gott som odödliga.

Bakterierna som bildar endosporer­ har bland annat tjocka cellväggar. När de här bakterierna inte får näring och annars skulle dö, som i fallet med andra bakteriesläkter, börjar de att sporulera – göra om sig till endosporer. Då stängs hela maskineriet av. Den gör det för att överleva och för att kunna spridas till platser där det finns näring.

Det tar omkring åtta timmar för en bakterie att genomgå förvandlingen. När processen är klar är den skyddad mot gamma- och ultraviolett strålning, höga temperaturer och kemiska desinfektionsmedel. Och den klarar sig helt utan näring.

En endospor kan delas upp i tre delar. Längst in finns kärnan, som bildats från cellmassan inne i bakterien men bara innehåller hälften så mycket vatten­ som i bakteriecellen. Ovanpå den ett tjockt lager uppbyggt av kolhydrater­ som drar ut vatten från kärnan. Det yttersta lagret, endosporens pansar, består är flera hårda proteinskikt­.

I endosporens kärna lagrar bakteriecellen sitt dna och ett antal enzymer. Bakterien har helt enkelt laddat ner sina egenskaper och skyddar dem med ett pansarliknande skal. Där bidar den sin tid, och när den känner av att förhållandena är de rätta återskapas den till bakterie.

Som endospor kan den finnas mycket länge, runt omkring oss i jorden eller­ vattnet, och vänta på rätt läge.

– Vi är säkra på att endosporer klarar sig i miljontals år säger Lars Hederstedt­.

Förklaringen till endosporernas enorma motståndskraft mot tid och yttre påverkan är det hårda skalet och den låga vattenhalten i kärnan.

Mjältbrand är den mest kända sjukdomen som kan spridas med endosporer. Bild: SPL

Mjältbrand är den mest kända sjukdomen som kan spridas med endosporer. Bild: SPL

Vattnet är nyckeln

Just vattnet inuti endosporerna är en av de viktigaste sakerna att reda ut för att komma åt endosporer. Men endosporer är små och att kunna kartlägga vattenmolekylerna i dem är inte det lättaste.

Bertil Halle och Erik Persson Sunde har med en ny metod lyckats se hur vattnet rör sig i endosporer. De löste upp endosporer i tungt vatten och centrifugerade ner dem till en cellmassa. Sedan placerade de massan i ett provrör och använde en egenutvecklad­ metod för att se vattnets rörelser. Metoden­ kallas ”magnetisk relaxationsdispersion” och utnyttjar atomkärnornas magnetiska egenskaper. Genom att variera magnetfältet kan man se molekylrörelser från en tusendels ner till en miljarddels sekund.

Fram tills nu har teorin varit att vattnet i endosporen är orörligt, vilket kallas glas i de här sammanhangen. Det skyddar enzymerna och stoppar cellmaskineriet, vilket är fallet med andra tåliga livsformer som till exempel växtfröer.

– Nu har vi upptäckt att vattnet i endosporen är nästan lika lättflytande som i vanliga bakterier, men att enzymerna i stort sett är orörliga, säger Bertil Halle. Endosporens förmåga att stänga av cellmaskineriet beror förmodligen på att vissa kritiska enzymer inte fungerar vid den låga vattenhalten i kärnan.

Här sticker Bertil Halle ut hakan i en debatt om cellvatten i aktiva bakterier och andra celler, som pågått i närmare 50 år i forskarvärlden. Många forskare har hävdat att cellvattnet uppträder på ett helt annorlunda sätt än vattnet i provrör, som man vanligtvis undersöker proteiner och molekyler i.

Man kan se frågan om vattnets rörelser i bakterier och i provrör som en detaljfråga som bara är intressant för forskare. Men den berör allt liv eftersom även många andra forskningsresultat beror på om man är rätt ute när man förutsätter att det som händer i ett provrör också händer i en bakterie. Mycket av det som kommit fram inom forskningen på exempelvis proteiner kan vara ointressant om det är stora skillnader på cellvattnet i ett provrör och i bakterien. Men det tror alltså inte de svenska endosporforskarna att det är.

Bryta ner barriärer
En slutsats Bertil Halle, Erik Persson Sunde, Lars Hederstedt och Peter Setlow nu drar är att proteinerna inte rör sig fritt som i en vattenlösning, och det kan vara en förklaring till varför endosporen kan överleva höga temperaturer.

– När temperaturen stiger vecklar proteinmolekylerna ut sig i långa kedjor. Eftersom proteinerna i endosporen är helt orörliga trasslar de inte in sig i varandra, som i vanliga celler. När temperaturen sjunker kan de veckla ihop sig igen och inget skadligt har hänt, säger Erik Persson Sunde.

Experimenten har också visat att endosporkärnans membran släpper igenom vatten med en hastighet som är åtminstone hundra gånger lägre än för bakteriens cellmembran. Den kompakta inre barriären skyddar mot giftiga molekyler som annars skulle förstöra det dna som lagrats i kärnan.

Ett sätt att angripa endosporer på är att komma åt dess barriärer, till exempel göra den kolhydratbaserade barriären mer genomsläpplig för vatten.

– Om vi kan bryta ner kolhydratmatrisen skulle vi kunna få in vatten. Då öppnar sig möjligheter att oskadliggöra endosporer som kan bli till aktiva farliga bakterier, säger Lars Hederstedt­.

– Vi har vissa idéer, säger Bertil Halle­. Men det är inget jag kan prata om i nuläget. Han ser också en framtid där man förstår cellens struktur och dynamik mycket bättre, och det kan också skapa bättre läkemedel. Ett exempel är hur läkemedel ska ta sig in i en cell. Forskning på miljön inuti celler kan leda till att metoder för att binda läkemedlet till proteiner i cellen utvecklas.

Vissa endosporbildande bakterier kan också bilda gifter som kan användas i insektsbekämpning. Här är Bacillus sphaericus, en art som ofta används. Bild: SPL

Vissa endosporbildande bakterier kan också bilda gifter som kan användas i insektsbekämpning. Här är Bacillus sphaericus, en art som ofta används. Bild: SPL

Farliga, men också nyttiga

Endosporer ligger bakom mycket elände, som vid mjältbrandsattackerna­ strax efter 11 september 2001. Brev med mjältbrandssporer skickades till ledamöter av senaten och till nyhetsredaktioner. Fem personer dog.

Mjältbrandssporer tar sig in via inandning, sår eller via mat, och när endosporen blir en aktiv bakterie utsöndrar den ett gift som leder till vävnadsdöd. Om mjältbrandssporerna andas in utvecklas en lunginflammation som följs av blodförgiftning.

Några forskare har påstått att digerdöden, som tog livet av en tredjedel av Europas befolkning på 1300-talet, i själva verket var mjältbrand. Det är dock inte någon allmänt accepterad hypotes.

Även de hypoteser där endosporer kommit från rymden och skapat livet på jorden är livaktiga, men betraktas som spekulativa av de flesta forskare.

I förlängningen handlar forskningen­ kring endosporer inte bara om att oskadliggöra dem och hindra smittspridning – det kan också finnas sätt att utnyttja endosporernas extremt tåliga­ konstruktion för andra ändamål. Ett exempel är att utveckla vaccin som tål värme och därför skulle underlätta att användas på platser där det är svårt att hålla vaccinet kylt.

Och invånarna kring Nedre Dalälven som plågats så svårt av myggor de senaste åren att de inte kunnat gå ut har ett slags endosporer att tacka för en lindring av myggplågan i somras. Den endosporbildande bakterien Bacillus thurengiensis israelensis H14 används nämligen för att framställa bekämpningsmedel mot myggor. Bakterierna odlas i en speciell näringslösning tills den sporulerar, alltså bildar endosporer. Sedan torkas den och blandas med majsolja och små bitar av majskolvens kärna. När mygglarven får i sig det frigörs ett gift och den dör.

Bekämpningsmedlet är egentligen inte godkänt i Sverige, men sommaren 2009 beviljade kemikalieinspektionen dispens för besprutning över stora områden vid Nedre Dalälven.

Material från
Allt om Vetenskap nr 2 - 2010

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter