UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Pestbakterien manipulerer lopper for å tilpasse seg klimaendringer

Del

Bakterien som forårsaket Svartedauden, smitter mellom pattedyr via blodsugende lopper. Nå viser det seg at bakterien har et genetisk knep for å overleve.

Formagen (proventrikkelen) hos denne loppa er blokkert av Yersinia-bakteriens biofilm, derfor er blodet fortsatt friskt og rødt. Foto: Bildet er hentet fra en vitenskapelig artikkel:
B. Joseph Hinnebusch et al.: Comparative Ability of Oropsylla montana and Xenopsylla cheopis Fleas to Transmit Yersinia pestis by Two Different Mechanisms. PLoS Negl Trop Dis, Published online 2017 Jan 12. doi: 10.1371/journal.pntd.0005276
Formagen (proventrikkelen) hos denne loppa er blokkert av Yersinia-bakteriens biofilm, derfor er blodet fortsatt friskt og rødt. Foto: Bildet er hentet fra en vitenskapelig artikkel: B. Joseph Hinnebusch et al.: Comparative Ability of Oropsylla montana and Xenopsylla cheopis Fleas to Transmit Yersinia pestis by Two Different Mechanisms. PLoS Negl Trop Dis, Published online 2017 Jan 12. doi: 10.1371/journal.pntd.0005276

Pestforskerne har visst i mange år at loppene som lever av å suge blod hos jordekorn og andre gnagere i Sentral-Asia, ofte forandrer spiseadferd når de er bærere av pestbakterien. I dette området er mange gnagere smittet av pestbakterien, Yersinia pestis, som blant annet forårsaket Svartedauden. Denne pandemien tok antakelig livet av så mye som 75 millioner mennesker i Vest-Europa i årene fra 1347 til 1353.

Både hannene og hunnene suger blod hos loppene, og den vanlige spiseadferden går rett og slett ut på at loppene stikker hull på vertens hud med en lang, tynn snabel som de bruker til å suge opp blod. Deretter fordøyer loppene det blodet de trenger, før de skiller ut overskuddet gjennom anus. Spiseadferden kan sammenlignes med å suge blod ved hjelp av en skitten nål.

Bakterien blokkerer loppas fordøyelse

Den andre måten er mer uappetittlig, og det er pestbakterien som tvinger loppene til å skifte over til denne adferden.

– Når loppene suger blod kommer pestbakterien naturligvis inn i fordøyelseskanalen. Men hos de pestsmittede loppene kan bakterien lage en biofilm (se faktaboks) i den delen av fordøyelseskanalen som kalles formage (proventriculus), forklarer forskeren Boris Schmid ved Senter for økologisk og evolusjonær syntese (CEES).

Loppenes formage tilsvarer omtrent kråsen hos fuglene. Hos loppene kan bakterienes biofilm etter hvert dekke veggene i formagen, og filmen blir til slutt så tett at blodet ikke kan passere videre til selve magesekken.

Når pestbakteriene først begynner å utvikle denne biofilmen, tar det fra fire-fem dager opp til to uker før den blir helt tett. Når loppa forsøker å suge blod med en tett biofilm i formagen, kommer ikke blodet lenger ned til den egentlige magen – og det fører til at loppa forblir sulten til tross for at den nettopp har spist.

Nå begynner den sultne loppa å oppføre seg på en måte som virker ganske desperat. Den kaster opp blodet den allerede har fått i seg, og oppkastet inneholder pestbakterier. Deretter forsøker loppa å suge nytt blod – enten fra den samme gnageren den prøvde seg på forrige gang, eller på en ny gnager. Hvis det er langt mellom gnagerne kan loppa til og med finne seg en annen vertsorganisme, for eksempel en kamel – eller et menneske.

Men den gjentatte blodsugingen hjelper ikke loppa stort, for formagen er jo fortsatt dekket av biofilm. Dermed kaster loppa opp blod en gang til, og slik fortsetter det. Men – hva oppnår bakterien egentlig med å tvinge loppa til å oppføre seg på denne måten? Tidligere forskning har vist at «oppkast-metoden» øker infeksjonsfaren ved et stikk, men nå viser det seg at bakterienes evne til å manipulere loppenes adferd har flere positive effekter – for bakteriene.

Studerte bakterienes gener

Norske og kinesiske forskere har nå avdekket det genetiske grunnlaget for denne adferden, og publisert en vitenskapelig artikkel i tidsskriftet Nature Communications. Utgangspunktet var at kinesiske forskere hadde samlet inn prøver med lopper og Yersinia-bakterier i den nordvestlige Xinjiang-provinsen i perioden fra 1967 til 2006. Kineserne hadde også kartlagt genomene hos ca. 450 stammer av pestbakterier, både fra Xinjiang og andre regioner. Deretter ba kineserne forskerne ved CEES om hjelp til å analysere genomene.

Forsikring mot klimaendringer

CEES-forskerne fant etter hvert ca. 180 mutasjoner som hadde skjedd i de kinesiske Yersinia-bakterienes genom i løpet av de 40 årene. Mutasjonene fantes på mange steder i genomene, men til slutt oppdaget forskerne ett resultat som skilte seg ut. De fant nemlig hele åtte mutasjoner i ett spesifikt gen – med betegnelsen rpoZ – og disse variantene av genet var samtidig mest utbredt hos de Yersinia-variantene som sto bak dannelsen av biofilm. Hva skulle det bety?

Gjennombruddet kom da CEES-forskerne oppdaget at utbredelsen av de biofilm-induserende genvariantene hos bakterien også varierte i takt med klimaet i regionen.

– Disse områdene i Sentral-Asia har et skiftende klima som i noen perioder er forholdsvis varmt og fuktig, når monsunvindene kommer inn fra sør. Men i andre perioder kan klimaet være kaldt og tørt på grunn av nordvestlige vinder som kommer inn fra Kasakhstan og Russland, forklarer Schmid.

– Det virkelig oppsiktsvekkende ved denne studien, er at vi har funnet en sammenheng mellom det regionale klimaet og loppas bakterie-regulerte spiseadferd. Det er helst når det er kaldt og tørt at pestbakteriene begynner å lage biofilm i loppenes fordøyelseskanal, forklarer professor Nils Chr. Stenseth.

– Det nye resultatet i vår undersøkelse, er at bakterien genererer variasjon i avkommet når det regionale klimaet er kaldt og tørt. Variasjonen går ut på at noe av avkommet er bedre tilpasset forhold der den skitne, nålelignende blodsugingen er mest fordelaktig for bakterien, mens andre deler av avkommet er bedre tilpasset situasjoner der biofilmdannelsen er mest fordelaktig for bakterien. Dermed har bakterien oppnådd å forsikre seg mot klimaendringer, tilføyer Schmid.

Pestbakteriens økologi

Pest er i utgangspunktet en sykdom som i naturen finnes hos gnagere, hvor den altså forårsakes av bakterien Yersinia pestis. Denne bakterien finnes naturlig i områder der det er så mange gnagere at de ikke blir utryddet av sykdommen, og et slikt område kalles et pestreservoar – som i Xinjiang-provinsen.

– Vi mener nå at vi har funnet forklaringen på at Yersinia-bakterien utvikler biofilm i loppenes fortarm når klimaet er tørt og kjølig. Sammenhengen er at varme og fuktige somre fører til økt plantevekst, og det fører til at gnagerbestanden øker fordi mattilgangen er så god. Det fører igjen til at Yersinia-bakterien får gode livsbetingelser, fordi det er lett for loppene å overføre sykdommen når gnagerbestanden er tett, sier Stenseth.

Men neste år blir klimaet kanskje kaldt og tørt, på grunn av nordlige vinder fra Kasakhstan og Russland. Da blir planteveksten redusert, gnagerne får mindre mat, og gnagerbestandene synker.

Loppenes normale sugeadferd i varmt og fuktig klima fører til at smittefaren pr. loppebitt ikke er veldig stor, men gnagerbestanden er så stor at bakterien likevel klarer seg fint. Men når klimaet endrer seg og gnagerbestanden synker, begynner bakteriene å danne biofilmen som gjør at loppene blir desperate og kaster opp blod. Samtidig fører biofilmen etter hvert til at de smittede loppene blir dehydrerte og dør.

Den normale sugeadferden kan overføre Yersinia-bakterien til en ny gnager i løpet av ett loppemåltid, men smittefrekvensen er liten. Den biofilm-påvirkede sugeadferden har økt smittefrekvens, men til gjengjeld kan det ta opptil to uker før den reelle overføringen skjer.

– Poenget, sett fra bakteriens ståsted, er at biteadferden med oppkast og ny blodsuging øker sannsynligheten pr. loppebitt for at bakterien sprer seg i en bestand av gnagere eller andre dyr. Dette «lønner seg» for bakterien i perioder med ugunstig klima, mens den normale sugeadferden er bedre tilpasset perioder med bedre klima, forklarer Schmid.

Skiftende gener, skiftende mutasjoner

Forskerne fant altså flere mutanter av rpoZ-genet i periodene som var preget av kaldt og tørt vær, men det er for all del ikke slik at klimaet øker frekvensen av mutasjoner i pestbakteriens genom.

– Det er heller slik at variantene av dette genet finnes hele tiden, og så er det noen varianter som det selekteres for, og som sikrer pestbakteriens overlevelse, når klimaet er varmere og fuktigere. Mens andre varianter er gunstige når klimaet er tørrere og kaldere. Det er dette som fører til at mutasjonene fungerer som en slags forsikring mot klimaendringer, understreker CEES-lederen professor Kjetill S. Jakobsen.

Kompliserte sammenhenger

De tre CEES-forskerne understreker at de har studert genomene hos bakterier som er funnet i lopper som har sugd blod fra jordekorn. Dette sier ikke nødvendigvis så mye om hva som skjer når loppene overfører bakterien til for eksempel kameler eller mennesker.

– Men det er i alle fall én ting som er påfallende, og det er at variasjonen i disse sentralasiatiske bakterie-genomene er mye større enn det vi har funnet blant bakteriene som forårsaket Svartedauden i Europa på 1340-tallet. Denne gangen fant vi altså ca. 180 mutasjoner, men bakteriene som forårsaket Svartedauden ser isteden ut til å tilhøre den samme klonen, forteller Schmid.

CEES-forskere har nemlig tidligere analysert genene hos Yersinia-bakterier som ble funnet i skjeletter etter mennesker som døde av pest i Vest-Europa i 1348. Da viste det seg at alle genomene unntatt ett var identiske.

– Det kan tenkes at vi ikke har kartlagt tilstrekkelig mange bakterier fra Svartedauden i Europa, eller at kartleggingen ikke er grundig nok. Men forklaringen kan også være at bakteriene som har forårsaket epidemier blant mennesker, oppfører seg annerledes enn de bakteriene som lever hele tiden i de naturlige reservoarene, foreslår Jakobsen.

– Yersinia-bakterienes evne til å påvirke loppenes adferd er for øvrig et godt eksempel på et fenomen den britiske evolusjonsteoretikeren Richard Dawkins beskrev i boka The Extended Phenotype – «Den utvidede fenotypen» – i 1982. Grunntanken er at et gen ikke bare endrer den organismen som bærer genet, altså pestbakterien i dette tilfellet. Dawkins’ teori sier at et gen også kan påvirke faktorer utenfor selve organismen, og i dette tilfellet ser vi altså at bakteriens gen kan påvirke loppas spiseadferd, kommenterer Stenseth.

Økt smittefare i nord-Kina

De kinesiske myndighetene er stadig på vakt mot nye utbrudd av pest, og i november 2019 gikk alarmen da et ektepar fra Indre Mongolia kom til et sykehus i Beijing med det som så ut til å være en alvorlig lungebetennelse. Legene fant fort ut at begge hadde lungepest, forårsaket av Yersinia pestis, og undersøkelser viste at mannen var blitt smittet da han spiste vill kanin til middag. Deretter ble kona smittet av mannen.

Svartedauden i Europa skyldtes at Yersinia-bakterien spredde seg fra Sentral-Asia, antakelig utløst av et sammenbrudd i de sentralasiatiske bestandene av gnagere. Når det blir for langt mellom gnagerne begynner loppene å lete etter andre dyr å leve på, og da er det ofte mennesker eller husdyr som blir smittet. Det er fortsatt uklart hvordan bakteriene klarte å reise den lange veien fra Sentral-Asia til Vest-Europa, men mye tyder på at de fulgte handelsrutene for pels og andre varer.

Kan de pågående globale klimaendringene føre til økt risiko for nye utbrudd av pest? Svaret er både ja og nei, ifølge professor Stenseth. Det er nemlig ikke slik at klimaendringene vil føre til at klimaet vil bli «varmere, våtere og villere» over hele kloden. Det er isteden slik at klimaet blir mer ekstremt, og i noen områder kan klimaet like godt bli kaldere og tørrere.

– Hvis klimaendringene fortsetter på samme måte som nå, blir det mer sannsynlig at det oppstår utbrudd av pest blant mennesker i områder som blir kaldere og tørrere. Da snakker vi først og fremst om nordlige områder, som i det indre av Kina. Men risikoen for nye utbrudd kommer neppe til å øke i sør, spår Stenseth.

.....

Fakta: Et samfunn av bakterier

Bakterier er i stand til å danne organiserte samfunn som kalles biofilmer.

  • En biofilm består av en matriks av bakterier, polysakkarider, proteiner og/eller DNA fra bakteriene, som festes til et underlag. Biofilmen kan gjerne inneholde flere arter av bakterier.
  • I biofilmen er bakteriene mindre sensitive for antibiotika og for det normale immunforsvaret hos verten, enn når de er frittsvømmende enkeltceller.
  • Biofilm kan dannes blant annet på tenner, i lunger (for eksempel hos cystisk fibrose-pasienter), på katetere eller kirurgiske implantater, i vannrør og i kjøletårn.
  • Biofilm er også bidragsyter til glatte steiner langs vann og bekker.

Kilde: Professor Ole Andreas Løchen Økstad, Farmasøytisk institutt.

Nøkkelord

Kontakter

Bilder

Formagen (proventrikkelen) hos denne loppa er blokkert av Yersinia-bakteriens biofilm, derfor er blodet fortsatt friskt og rødt. Foto: Bildet er hentet fra en vitenskapelig artikkel:
B. Joseph Hinnebusch et al.: Comparative Ability of Oropsylla montana and Xenopsylla cheopis Fleas to Transmit Yersinia pestis by Two Different Mechanisms. PLoS Negl Trop Dis, Published online 2017 Jan 12. doi: 10.1371/journal.pntd.0005276
Formagen (proventrikkelen) hos denne loppa er blokkert av Yersinia-bakteriens biofilm, derfor er blodet fortsatt friskt og rødt. Foto: Bildet er hentet fra en vitenskapelig artikkel: B. Joseph Hinnebusch et al.: Comparative Ability of Oropsylla montana and Xenopsylla cheopis Fleas to Transmit Yersinia pestis by Two Different Mechanisms. PLoS Negl Trop Dis, Published online 2017 Jan 12. doi: 10.1371/journal.pntd.0005276
Last ned bilde
Forskerne: Kjetill S. Jakobsen (t.v.), Boris V. Schmid og Nils Chr. Stenseth. Foto: Bjarne Røsjø/UiO
Forskerne: Kjetill S. Jakobsen (t.v.), Boris V. Schmid og Nils Chr. Stenseth. Foto: Bjarne Røsjø/UiO
Last ned bilde

Lenker

Om UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet
UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet
Sem Sælands vei 24
0371 Oslo

22 85 56 00http://www.mn.uio.no/

Det matematisk-naturvitskaplege fakultet har ein lang og stolt tradisjon innan forsking og undervising i dei klassiske realfaglege disiplinane. Fakultetet si verksemd dekkjer også eit breitt spekter av tverrfagleg forsking og ligg i front i Europa på fleire område.

Følg våre forskingsnyheiter på Titan.uio.no, som også er på Facebook og Twitter, eller abonner på nyheitsbrevet.

Følg saker fra UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Registrer deg med din epostadresse under for å få de nyeste sakene fra UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet på epost fortløpende. Du kan melde deg av når som helst.

Siste saker fra UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

I vårt presserom finner du alle våre siste saker, kontaktpersoner, bilder, dokumenter og annen relevant informasjon om oss.

Besøk vårt presserom