Molekylära kameleonter hittar bakterierna

Bensår som inte läker, höftledsimplantat som blir en bakteriehärd. Det beror på biofilmer, ett aggregat av mikroorganismer. Men biofilmer kan också vara till fördel, till exempel i vattenreningsverk eller vid framställning av biobränsle. Nu finns ett nytt verktyg för att studera hur biofilmer bildas.

Publicerad: jan 24, 2017

– Wow. Det var det jag tänkte när jag såg att det faktiskt fungerar, att vi kan följa och identifiera flera viktiga komponenter och processer bakom en biofilm i realtid, säger Agneta Richter-Dahlfors.
Hon är professor vid Karolinska institutet och har tillsammans med forskarkollegan Peter Nilsson vid Linköpings universitet, utvecklat det nya verktyget.

Som att se på film

Verktyget är det Agneta Richter-Dahlfors kallar för kameleontmolekyler som byter färg beroende på vad de binder till (se faktaruta). Hon fick idén när hon lyssnade på en presentation av Peter Nilsson, som hade utvecklat molekylerna för att kunna studera amyloida plack som uppstår i hjärnan på patienter med Alzheimers sjukdom. Där används molekylerna för att detektera felaktigt veckade proteiner.
– Det slog mig att den komponent som kameleontmolekylerna känner igen hos felaktigt veckade proteiner även finns på utsidan av biofilmerna, förklarar hon.
I ett tvärvetenskapligt samarbete började de två forskargrupperna testa molekylerna på biofilmerna. Det har länge saknats en bra metod som är specifik.
– Vi ville åt just det där kletet, det skyddande höljet, och se vad som händer i realtid när bakterierna bildar en biofilm. Tidigare har vi bara haft tillgång till giftiga färgämnen, som är dels ospecifika, dels begränsar oss till studier av färdigbildade biofilmer. Med våra nya kameleonter öppnar sig möjligheten att följa bildningen av biofilmen i realtid, och att studera vad som händer under en bakteriell infektion av en levande organism. Detta är givetvis mycket mer komplext än att studera bakterier i en petriskål, påpekar Agneta Richter-Dahlfors.

Lätt som en plätt

Kameleontmolekylen tillsätts enkelt till en cellkultur och händelseförloppet kan sedan följas under mikroskopet. Molekylerna ändrar färg beroende på vad de binder till, därav namnet kameleontmolekyler. Det gör det också möjligt att följa händelsen visuellt, någonting som kallas för optotracing.
– Hur bakterierna beter sig är komplext och när man börjar undersöka detaljerna ser man saker som man vill lära sig mer om. Vi skapar verktyg som gör det möjligt at studera hela tidsförloppet av en infektion, och vi ser bland annat hur bakterierna förökar sig, vilka av kroppens celltyper som infiltrerar den infekterade vävnaden, samt vad som händer fysiologiskt i hela kroppen, inte bara i några celler på en platta. När vi vet mer om hur biofilmerna bildas kan vi också klura ut hur vi kan göra någonting åt det, säger Agneta Richter-Dahlfors med eftertryck.
Hon själv vill lära sig mer om de molekylära mekanismerna bakom infektioner och biofilmer, men hon betonar att den nya molekylen är ett verktyg för hela forskarsamhället och att det finns många tänkbara användningsområden. För att kunna göra metoden mer tillgänglig har forskarna valt att publicera sina resultat helt öppet och nu hoppas Agneta Richter-Dahlfors på många nya samarbeten.
– Jag leder Swedish Medical Nanoscience Center, ett centrum för nanomedicin, och där är vi vana vid att jobba tvärvetenskapligt. Det är helt naturligt för oss att se tillämpningar i många olika områden, påpekar hon.

Dålig film kan vara bra

Ett sådant område är skogsindustrin och tillverkning av pappersmassa. Förhållanden mellan beståndsdelarna cellulosa, hemicellulosa och lignin är avgörande för kvalitén och det vanliga tillvägagångssättet är att ta prov vid olika stadier av pappersmassatillverkningen, och sedan bryta ner provets innehåll till sina beståndsdelar för att bestämma andelen av de olika komponenterna.
– Men med hjälp av molekylen kan man visualisera detta i realtid. Då kan vi använda molekylen som en optisk sensor för att styra industriella processer, förklarar Agneta Richter-Dahlfors.
Även andra industriella processer kan dra nytta av mer kunskap om hur biofilmer bildas. Bakterier spelar en viktig roll vid tillverkningen av till exempel biobränsle och i vattenreningsverk och där är biofilmer positiva och kan spela en roll för att göra processen mer effektiv och hållbar.
– Vi har hittat flera bra molekyler som fungerar som verktyg inom många olika områden. Vi tillhandahåller dessa mer än gärna till hela forskningssamhället för att bekräfta fynd, optimera industriella processer eller förstå mer om grundläggande biologiska mekanismer. Det är bara bra att vår forskning kommer till användning i så många sammanhang som möjligt, avslutar Agneta Richter-Dahlfors.

Biofilm

Ett aggregat eller ett kluster av mikroorganismer, till exempel bakterier.
De bildar gemensamt en skyddande yta (extracellulär matrix) med vars hjälp de vidhäftar.
Bakterier i en biofilm kan signalera till varandra för att utbyta information om tillväxthastighet och tillgång på näring.
Det är svårt att tränga igenom den skyddande ytan med till exempel läkemedel eller detergent. Bakterierna i en biofilm är exempelvis ofta motståndskraftiga mot antibiotika, men det betyder inte att de är resistenta på grund av genetiska förändringar.
Biofilmer kan bildas på implantat, proteser, stora sår eller vid kraftiga infektioner. Det förekommer även på ytor i sjukhus och i livsmedelsindustrin.
De vanligaste bakterierna som orsakar biofilm är stafylokocker, streptokocker, enterokocker och pseudomonas.