Wallenberg Scholars

Bakterier kan bli kroppens egna vaccinfabriker

Kartläggningen av bakteriers arvsmassa går in i ett nytt skede. Målet är att göra det möjligt att designa bakterier för nya uppgifter, exempelvis så att de kan fungera som kroppens egna vaccinfabriker. Lyckas forskarna så innebär det en helt ny möjlighet att skapa skydd mot smittsamma sjukdomar som till exempel malaria.

Siv Andersson är en av pionjärerna i Sverige inom kartläggningen av det genetiska materialet. Hon har studerat bakteriernas arvsmassor i mer än 15 år. Det har lett fram till en grundläggande förståelse för hur naturen bygger upp samarbeten mellan bakterier och högre organismer som insekter, djur och människor. Forskningen har även bidragit med nya rön för en rad välkända sjukdomar, bland annat tyfus, och en ökad förståelse för hur en sjukdomsalstrande bakterie kan uppstå ur ett samarbete som spårat ur.

Ett begrepp som bakterier ger oftast obehagliga associationer. Många tänker på magsjukan vid utlandssemestern eller den ökande mängden resistenta bakterier inom sjukvården. Men det finns även en stor mängd bakterier som är harmlösa. Vissa har till och med utvecklat symbiotiska förhållanden med människor och djur, och är nyttiga. I vår egen tarmflora lever omkring två kilo bakterier, som står bakom kroppens ekobalans.

– Bakterier kan ha väldigt många goda egenskaper. De kan producera aminosyror och vitaminer och är i många fall helt livsavgörande för sina värdar, säger Siv Andersson.

Hos exempelvis bladlöss finns fabriker med bakterier som tillverkar nödvändiga aminosyror, som saknas i bladens växtsaft. Bakterierna gör det möjligt för bladlössen att kolonisera nya växter och sprida sig ännu mer. Bakterier kan också producera gifter som skyddar insekter mot angrepp från andra djur, och i extrema fall kan de till och med ändra kön på insekter från hane till hona, så att den genetiske hannen kan börja producera ägg.

Naturen förebild för ny design

Efter gensekvenseringarna så väntar nu nästa steg. Tekniken har tagit sådana språng att det blivit möjligt att börja designa nya biologiska system med inspiration från naturen. I skyltfönstret för denna forskning finns Craig Venter, som på konstgjord väg har återskapat en arvsmassa för en redan existerande bakterie.

– Utvecklingen kommer att gå snabbt framåt under de närmaste fem-tio åren, förutspår Siv Andersson. Det blir möjligt att relativt lätt konstruera nytt genetiskt material, och därför gäller det att ligga i startgroparna och veta hur man vill utnyttja tekniken.

Ett pilotprojekt rör den vanliga bakterien Bartonella, som sprids med fästingar och insekter. Den tar sig in i blodets cirkulation och fastnar i de röda blodkropparna, där den lever utan att göra någon skada i väntan på att bli hämtad av en ny insekt.

– Oskadliga bakterier av den typen skulle kunna utnyttjas för att tillverka något värdefullt, resonerar Siv Andersson.

”Det är ett fantastiskt anslag. Det är inte ofta som medlen är fria, och det innebär en unik chans att kunna göra precis vad jag vill. Har man inte långsiktiga anslag måste man satsa på säkra kort. Detta ger möjlighet att starta högriskprojekt som kan få stor betydelse i det långa loppet.”

Gener för samarbetsförmåga

I likhet med bladlusens bakterier skulle bakterierna kunna tillverka aminosyror och vitaminer. De skulle också kunna tillverka antigener och fungera som en sorts levande vaccin från vilket kroppen kan bygga upp ett immunförsvar. En utmaning är att förhindra att själviska celler uppstår som inte bidrar till produktionen av det önskade ämnet, vilket leder till att det designade bakteriesamhället kollapsar.

I ett projekt finansierat tack vare medlen från Wallenberg Scholar blir det nu möjligt att studera gener som kodar för samarbetsförmåga hos bakterier, och hur man kan designar levande vitaminer eller vaccin. Första steget är att använda de nya teknikerna för att komplettera arvsmassan med gener för samarbetsförmåga och studera samhällets beteende.

– Men den medicinska tillämpningen är mycket avlägsen. Först måste vi lära oss snickra med arvsmassans byggstenar, betonar Siv Andersson.

Konstgjorda arvsmassor

Från naturen har forskarna lärt sig att ju djupare samarbetet är mellan bakterierna och de högre organismerna, desto mindre blir bakteriernas arvsmassor. Till sist har bakterierna så litet DNA kvar att de inte längre kan föröka sig utan sin värd. I stället används den största andelen av bakteriernas genetiska material till att producera de ämnen som den högre organismen behöver. De har förvandlats till ett slags mini-bakterier som ersatt sina egna gener med gener som är nyttiga för värdorganismen.

– Det är den här formen av djupa samarbeten som vi vill efterlikna. Men eftersom mini-bakterierna inte kan odlas utanför sin naturliga miljö är de mycket svåra att studera. Vi vill använda den nya tekniken till att återskapa arvsmassor som är lika små som minibakteriernas och få dem att producera de proteiner vi är intresserade av på labbet. I förlängningen vill vi bygga fabriker med minibakterier som tillverkar vacciner eller andra nyttiga ämnen, precis på samma sätt som naturen har gjort, säger Siv Andersson.

Mitokondrier med nya funktioner

De minsta av alla minibakterier är mitokondrierna. De kommer från en helt vanlig bakterie som har utvecklats till att bli cellernas energikraftverk. Det resterande genetiska materialet är i de flesta fall, som till exempel hos människan, oerhört litet. Trots detta kan skador i mitokondriernas arvsmassa leda till mycket allvarliga sjukdomar.

– Drömupptäckten i framtiden vore att identifiera den närmaste släktingen till våra mitokondrier och samtidigt lyckas designa nya sorters mitokondrier för nya funktioner, säger Siv Andersson.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström