Ny doktorgrad: Har funnet mulig svakhet hos MRSA-bakterier

Mange bakterier blir stadig mer motstandsdyktige mot antibiotika. Dermed blir det også vanskeligere å bekjempe infeksjoner forårsaket av dem.

Én løsning kan være å finne nye metoder for å svekke bakteriene. Om de blir svakere, kan det bli lettere for vårt eget immunforsvar og en eventuell antibiotikakur å ta knekken på dem. Også når det gjelder bakterier som allerede har blitt motstandsdyktige mot antibiotika, slik som MRSA.

– Ved å lære mer om de prosessene bakteriene er avhengig av for å overleve og for å kunne formere seg, ønsker vi å finne nye angrepspunkter på dem, sier Ine Myrbråten.

Hun har nylig skrevet doktorgrad ved NMBU om celledeling hos bakterier, og har funnet et protein som viser seg å være svært viktig for MRSA-bakterienes overlevelse.

– Dette er en helt ny faktor vi har avdekket i MRSA, forteller Ine Myrbråten.

Alvorlige infeksjoner

Bakterier består bare av én celle. De formerer seg ved at én og én celle deler seg i to. Myrbråten forsker på hva som faktisk skjer i bakteriecellene når de deler seg. Dette kan hjelpe oss med å finne måter å svekke dem på.

– Jeg studerer grunnleggende prosesser i cellene til gule stafylokokker. Dette gjelder blant annet evnen til å formere seg, forteller hun.

MRSA er en type gule stafylokokker som allerede i dag er motstandsdyktige mot en lang rekke antibiotika, og som ikke lenger kan behandles med vanlig penicillin.

Denne typen bakterier kan gi alvorlige infeksjoner hos både mennesker og dyr, alt fra hjernehinnebetennelse til blodforgiftning.

– Slike infeksjoner blir stadig vanskeligere å behandle siden flere og flere bakteriestammer har utviklet resistens mot behandlingen, nemlig antibiotika. Derfor må vi finne nye måter å drepe bakteriene på, sier Myrbråten.

Form og funksjon

Mye av det vi vet om grunnleggende prosesser i biologien er basert på undersøkelser av såkalte «modellorganismer». Dette er organismer med egenskaper som gjør dem enkle å forske på, og som brukes i laboratorier over hele verden. Slik kan forskere enkelt sammenligne, etterprøve og bygge videre på hverandres studier.

I bakterieverdenen er det E. coli som er den mest vanlige modellorganismen. Den lever normalt i tarmen til mennesker og dyr, og er viktig for blant annet fordøyelsen. Noen varianter av E. coli produserer giftstoffer som kan gjøre oss syke med diaré og kan smitte gjennom forurenset drikkevann eller mat som ikke er riktig varmebehandlet.

Som modellorganisme for forskning, er E. coli svært nyttig og mye brukt. Bakterien er enkel å dyrke i laboratoriet, den tar lett opp i seg andre gener og kan forholdsvis enkelt manipuleres.

Men gule stafylokokker skiller seg fra E. coli. De har for eksempel en annen form. Der E. coli er stavformet, er stafylokokkene runde.

Og, som Ine forklarer:

– Bakterier med ulik fasong har også gjerne ulike prosesser for celledeling.

Det kan bety at bakteriene reagerer forskjellig på ulike typer medisiner. For å lære hvordan vi kan ta knekken på akkurat MRSA, er det derfor en stor fordel å kunne undersøke disse bakteriene spesifikt i laboratoriet.

Myrbråten har derfor også utviklet et system for å undersøke gule stafylokokker spesifikt ved hjelp av CRISPR-metoden. 

Gjennombrudd med CRISPR

Lenge var det vanskelig å forske på de genene som er involvert i livsviktige funksjoner for bakterien, slik som celledeling og vekst. Disse kalles gjerne essensielle gener.

Hvis vi ønsker å finne ut hva som er funksjonen til et spesifikt gen, er det vanlig med laboratorieundersøkelser hvor forskerne sletter det relevante genet fra bakterien. Deretter kan de observere hvordan bakterien blir påvirket av at dette genet er borte, og slik lete seg fram til hva funksjonen for det enkelte genet er. Denne metoden kan imidlertid ikke brukes for å studere essensielle gener.

Problemet med de essensielle genene er at hvis du slår dem av, så dreper du også bakterien. Og uten en levende bakterie i mikroskopet er det vanskelig å finne ut av nøyaktig hvilken funksjon du har rammet.

– Derfor utviklet vi et system spesifikt for stafylokokker som gjør at vi kan «tone ned» genuttrykket til et gen uten å måtte slette det, forteller Myrbråten.

Dette var mulig takket være den banebrytende, genteknologiske metoden CRISPR, som Emmanuelle Charpentier og Jennifer Doudna fikk Nobelprisen i kjemi for i 2020. CRISPR-metoden er basert på et protein som fungerer som en slags programmerbar «gensaks». Én av de store fordelene med CRISPR er at den fungerer i alle typer organismer og celler. Også i gule stafylokokker.

– I vårt system bruker vi et modifisert CRISPR-system, kalt CRISPRi (CRISPR interferens). Der er kuttefunksjonen til «gensaksen» ødelagt, men den kan fortsatt binde til genene slik at genuttrykket tones ned, forklarer Myrbråten. 

Detektivarbeid ga resultater

Ved hjelp av CRISPRi kunne Ine Myrbråten og kollegaene hennes «tone ned» genuttrykket til 25 essensielle stafylokokk-gener med ukjent funksjon.

– Deretter undersøkte vi hvordan dette påvirket veksten til bakteriene og kikket på dem i mikroskop for å se om de endret utseende når vi tonet ned ett og ett gen, forteller hun.

De kunne også undersøke hvor i cellen endringer oppsto. Gener som påvirket proteiner i midten av cellen, der den deles i to ved celledeling og formering, var spesielt interessante. Disse regnet forskerne med var særlig viktige for prosessene som påvirker bakteriens overlevelse.

Det mikrobiologiske detektivarbeidet ga resultater.

– Basert på undersøkelsene av de 25 essensielle genene, valgte vi ut ett, spesielt protein for videre studier. Studiene viste at dette proteinet er viktig for at stafylokokkcellene skal kunne gjennomføre vanlig celledeling og beholde sin normale form, sier Myrbråten.

Forskerne har kalt proteinet SmdA, som er kort for Staphylococcal morphology determinant A.

SmdA-proteinet ser ut til å påvirke celledelingen i bakteriene, og dermed bakteriens evne til å reprodusere seg.

Svakere motstand mot antibiotika

Når en celle skal dele seg i to, må den vokse seg større og lage ny cellevegg. Så må den lage en kopi av arvestoffet sitt, der hver kopi oppholder seg i motsatte deler av cellen, før den lager en skillevegg på midten og splitter seg i to datterceller.

– Når vi brukte CRISPRi-metoden til å redusere mengden SmdA-proteiner, så vi at celledelingen ble påvirket flere steder. Cellene fikk problemer både med plassering av skilleveggen, og med hvor mange skillevegger de skulle lage.

Ved normal celledeling lages én skillevegg som plasseres midt i cellen, slik at den kan dele seg i to. Med redusert mengde SmdA-proteiner, lagde imidlertid cellene ofte flere skillevegger som de plasserte på kryss og tvers.

– Lavere SmdA-nivå påvirket altså stafylokokkenes evne til å produsere ny cellevegg, men også deres evne til å splitte dattercellene fra hverandre. Slike svekkede celler dannet store klynger i stedet for å splitte seg fra hverandre, forklarer Ine.

Og kanskje det viktigste:

Forskerne oppdaget at stafylokokkbakterier med lave nivåer av SmdA var mindre motstandsdyktige mot antibiotika enn vanlige stafylokokkbakterier. Dette gjaldt spesielt antibiotikatyper som angriper celleveggen. Effekten var størst hos MRSA-stammer, altså stafylokokker som i dag er resistente mot penicillin.

– Vi mener derfor at SmdA-proteinet utpeker seg som et potensielt svært viktig angrepspunkt hos MRSA-bakteriene, slik at vi kan gjøre dem mer sårbare overfor eksisterende antibiotika igjen, sier hun.

– Vi har fortsatt ikke funnet ut den eksakte funksjonen til SmdA-proteinet, men vi har en hypotese om at det spiller en viktig rolle i å regulere celledelingen. Det trengs mer forskning før vi kan si noe helt sikkert om funksjonen, men vi har avdekket at proteinet er avgjørende for normal celledeling, form og utseende hos stafylokokkbakterier.

– Vi håper også at systemet vi har utviklet innen CRISPR-metoden kan være nyttig også for andre som forsker på disse bakteriene.

Fakta

Om doktorgraden

• Ine Storaker Myrbråten har skrevet doktorgrad ved NMBU med tittelen «Funksjonell innsikt i nye celledelingsfaktorer hos Gram-positive bakterier»
• Hun disputerte 17. desember 2021 
• Myrbråten arbeider hos forskningsgruppen Molekylær Mikrobiologi (MolMik) ved NMBUs Fakultet for kjemi, bioteknologi og matvitenskap 
• Artikkelen om SmdA-proteinet ble lagt ut som preprint 23. november 2021: SmdA is a novel cell morphology determinant in Staphylococcus aureus | bioRxiv

Om MRSA-bakterier

• En type gule stafylokokker (Staphylococcus aureus).
• MRSA er forkortelse for methicillinresistente Staphylococcus aureus.
• Bakterien er motstandsdyktig mot en lang rekke antibiotika.
• MRSA kan gi hud- og sårinfeksjoner, infeksjoner i bein og ledd, lungebetennelse, sepsis (blodforgiftning) og av og til andre alvorlige infeksjoner.
• Slike infeksjoner er vanskeligere å behandle enn infeksjoner med bakterier som ikke er motstandsdyktige mot antibiotika.
• MRSA forekommer relativt sjelden i Norge, men i mange andre land er den utbredt i sykehus. Nytt er at bakterien også sprer seg utenfor sykehus.

Kilde: Store norske leksikon https://sml.snl.no/MRSA