Bakterier genbruger gammelt DNA - også antibiotika-resistens
Set fra en bakteries perspektiv er omgivelserne én stor dna-losseplads. Nu har danske og norske forskere påvist, at bakterier kan optage små såvel som store rester af gammelt dna fra denne losseplads og indlemme det i deres egen arvemasse. Opdagelsen kan få store konsekvenser både i forbindelse med antibiotika-resistens på hospitaler og i vores opfattelse af livets tidlige udvikling.
Vores omgivelser rummer store mængder stærkt fragmenteret og skadet dna, der er under nedbrydning. Noget af det kan være tusindvis af år gammelt. Laboratorie-eksperimenter med mikrober og forskelligt dna har vist, at bakterier optager særdeles kort og beskadiget dna fra omgivelserne og passivt indbygger det i deres egen arvemasse. Dette er i tillæg påvist med en nutidig bakteries optag af 43.000 år gammelt mammut-dna.
Resultaterne offentliggøres nu i det ansete videnskabelige tidsskrift Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS). Opdagelsen af dette genbrug af gammelt eller fragmenteret dna kan få store konsekvenser fremover.
Antibiotika
Postdoc Søren Overballe-Petersen fra Center for GeoGenetik på Statens Naturhistoriske Museum på Københavns Universitet er førsteforfatter på den videnskabelige artikel, og han siger om betydningen af opdagelsen:
Søren Overballe-Petersen (i forgrunden) og Klaus Harm (i baggrunden) arbejder i laboratoriet. (Foto: Kaare M. Nielsen).
- Vi har længe vidst, at bakterier kan optage lange intakte stykker dna, men man har hidtil antaget, at korte dna-fragmenter er biologisk inaktive. Vi har nu vist, at denne antagelse var forkert. Så længe der bare er lidt dna tilbage, er der en mulighed for, at bakterier kan genbruge dna'et. Det betyder for eksempel, at på hospitaler, hvor man har problemer med vedholdende antibiotikaresistens, bør man i nogle tilfælde begynde at tænke i, hvordan man fjerner dna-rester. Hidtil har man koncentreret sig om at slå levende sygdomsbakterier ihjel, men det er altså ikke nok i de tilfælde, hvor andre bakterier bagefter kan genbruge dna-stumper, der bærer antibiotikaresistens.
Beskadiget dna-materiale
Forskerholdets resultater afslører, at det store reservoir af stumper og beskadiget dna i omgivelserne bevarer potentialet til at ændre bakteriers arvemasse, selv efter årtusinder. Dette er første gang, der beskrives en proces, som tillader celler at tilegne sig genetiske sekvenser fra en fjern fortid. Vi kalder dette fænomen Anakronistisk Evolution eller genbrugs-evolution.
Professor Eske Willerslev fra Center for GeoGenetik på Statens Naturhistoriske Museum er leder af projektet, og han siger:
- Det, at dna fra døde organismer driver evolutionen af levende celler, er i modstrid med de gængse opfattelser af, hvad der driver selve livets udvikling.
Bakterie-losseplads
Yderligere kan gammelt dna ikke kun tilbageføre mikrober til tidligere tiders tilstand. Skadet dna kan også forårsage nye varianter og kombinationer af allerede funktionelle sekvenser. Billedligt talt kan man forestille sig, at bakterier roder rundt på en losseplads og leder efter stykker og stumper, som de kan bruge. Ofte vil bakterierne skille skraldet ad, men nogen gange finder de noget genbrugsguld, som er lige til at anvende.
Bakteriekolonier på en agarplade (vækstmedie). Acinetobacter baylyi, som forsøgene er udført med. (Foto: Kaare M. Nielsen).
Omvendt risikerer de også at skære sig på skarpe kanter i skraldebunken – det kan gå begge veje. Denne opdagelse har en række konsekvenser, bl.a. fordi der er en potentiel risiko for mennesker, når sygdomsfremkaldende eller multiresistente bakterier udveksler små bidder af "farligt" dna, fx på hospitaler, i biologisk affald og i spildevand.
Det helt store perspektiv
I det helt store perspektiv repræsenterer bakteriers optag af kort dna en basal evolutionær proces, der kun kræver en voksende celle, som spiser dna-stykker. En proces, der muligvis er en oprindelig type af gen-overførsel, dvs. dna-deling mellem bakterier. Resultaterne viser, hvordan genetisk evolution kan ske rykvis i små enheder, hvilket har stor betydning for vores forståelse af, hvordan mikroorganismer har udvekslet gener gennem hele livets historie. Således støtter resultaterne også teorierne om, at gen-overførsel spillede en afgørende rolle i livets tidlige udvikling.
Søren Overballe-Petersen forklarer:
Illustration af bakterier, der optager dna-stumper fra sine omgivelser. Nogle af de optagne dna-stumper binder til bakteriens eget dna og indbygges. (Illustration: Katrine Harving Holm).
- Dette er et af de allermest spændende perspektiver af vores arbejde. Computersimuleringer har vist, at allerede de tidligste bakterier må have været i stand til at dele dna med hinanden, men det har været svært at se, hvordan, det kunne foregå. Vi har nu et bud på, hvordan de første bakterier kunne udveksle dna. Oven i købet ikke som en mekanisme udviklet særligt til formålet, men som en almindelig proces, der simpelthen er en konsekvens af at leve og dø.
Den videnskabelige artikel Bacterial natural transformation by highly fragmented and damaged DNA er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences USA mandag d. 18. November 2013.
Kontakt
Postdoc Søren Overballe-Petersen
Center for GeoGenetik
Statens Naturhistoriske Museum
Københavns Universitet
Tlf. mobil +45 24419312
Professor Eske Willerslev
Center for GeoGenetik
Statens Naturhistoriske Museum
Københavns Universitet
Tlf. mobil +45 28751309
Kaare M. Nielsen
Mikrobiologi, molekylær- og farmakoepidemiologi
Institutt for farmasi
Universitetet i Tromsø
Tlf. mobil +47 95722588