Medicinjakten i Flemings fotspår

Transkript

1 Medicinjakten i Flemings fotspår Det första delprojektet av Forskarhjälpen, genomfördes under Det var ett samarbete mellan Nobelmuseet, Laboratoriet för kemisk biologi vid Umeå universitet (LBCU) och drygt 500 elever och lärare runt om i Sverige gick Nobelpriset till Alexander Fleming för upptäckten av penicillin. Sedan dess har många olika antibiotika upptäckts och blivit livsviktiga i vår kamp mot olika infektionssjukdomar. Det kan vara luftvägsinfektioner, urinvägsinfektioner, diarréer eller andra sjukdomar som orsakas av bakterier. Men för stor användning av antibiotika har också lett till att bakterier blivit resistenta. Detta innebär att det börjar bli allt vanligare med bakteriesjukdomar som inte går att bota med de antibiotika som finns tillgängliga idag. Forskarna på LCBU i Umeå behövde hjälp med att hitta nya bakterier av gruppen aktinomyceter, en sort som är känd för att producera ämnen med antibiotiska egenskaper. De ca 20 deltagande klasserna över hela Sverige gav sig ut i naturen i sitt närområde och samlade in jord från de klurigaste ställena de kunde tänka sig. Från markproverna isolerade eleverna fram aktinomyceter och beskrev hur de såg ut och var de hade hittat dem. Detta resulterade i en form av kartläggning av aktinomyceter över Sverige och gav forskarna stor information om var aktinomyceter trivs och var man kan finna olika arter. Målet var att komma en liten bit på vägen till att hitta ny antibiotika, som i sin tur är en viktig pusselbit i kampen mot bakterieinfektioner hos människor och djur. Forskarna i Umeå har nu ett "bibliotek" av aktinomyceter som eleverna i Medicinjakten samlat in och som fortfarande analyseras, så det finns en möjlighet att något av dessa prover kan utgöra basen för ett nytt antibiotikum! I det här häftet finns ett förslag på hur en Medicinjakt kan genomföras på din skola.

2 Er egen Medicinjakt Medicinjakten sker i 5 steg. Dessa följer i grova drag hur Forskarhjälpens projekt genomfördes under Steg 1 Var finns bakterier? Odla bakterier från olika platser. Instruktioner finns längre bak i häftet. Steg 2 Analysera bakterier. Gör en Gramfärgning av kända bakterier. Instruktioner finns längre bak i häftet. Steg 3 Test av antibakteriella ämnen. Prova olika ämnen som kan vara antibakteriella. Instruktioner finns längre bak i häftet. Steg 4 Skapa en kreativ poster - Posterbeskrivning När bakterierna är odlade och beskrivna så är det dags att berätta om allt som gjorts! Detta ska göras i form av en "poster" - en slags affisch. Så går det till i forskarvärlden också. När forskarna har gjort sina experiment, fått sina resultat och dragit sina slutsatser så måste de dela med sig av detta till andra forskare. Detta görs bland annat via artiklar i vetenskapliga tidskrifter och via konferenser. På konferenserna ger forskarna antingen en muntlig presentation av sitt arbete eller så har de gjort en poster som de har med sig till konferensen och sätter upp på en vägg eller en skärm. Vid speciella tillfällen på konferensen är det så kallad "postertid" - då står forskarna vid sina postrar och svarar på frågor om dem. Steg 5 Konferens med utställning. Ordna ett tillfälle för presentation av postrar och resultat- Låt eleverna jämföra och titta på varandras postrar. Ha också en föreläsning eller liknande. Kanske kan ni ha en tävling eller bjuda föräldrarna på vernissage? Vill du dela med dig av dina erfarenheter av Medicinjakten, hör gärna av dig till oss på forskarhjälpen@nobelmuseum.se.

3 Bakgrund Penicillinets upptäckt Foto: Alexander Fleming Laboratory Museum (Imperial College Healthcare NHS Trust, London) 1945 fick Alexander Fleming, tillsammans med E. Chain och H.W. Florey, Nobelpriset i medicin för upptäckten av penicillinet. Den första observationen kom till av en slump redan 1928, då Fleming hade lämnat laboratoriet för semestern utan att ha kastat en bakterieodling efter ett avslutat experiment. När han återvände från semestern såg han att en mögelsvamp hade förorenat plattan där bakterierna växte (fig. 1). I området runt svampen var det tydligt att bakterierna inte längre kunde växa. Svampen, som var Penicillium notatum, kunde alltså döda bakterierna i sin närhet. Fi g. 1 Bilden visar den orginalplatta som Sir Alexander Fleming lämnade på bänken över semestern. Penicillium notatum är den stora vita svampen längst upp (gröna pilen). De små vita prickarna är bakteriekolonier (Stafylokocker) som växer på plattan (röda pilen). Observera att bakterierna har svårt att växa i närheten av svampen. Det visade sig dock att penicillinet var väldigt instabilt och bröts ned, så Fleming (som var en bakteriolog, inte kemist) lämnade tillsvidare upptäckten därhän. Drygt 10 år senare, år 1939, beslutade Chain och Florey vid universitetet i Oxford att undersöka penicillin lite närmare. Chain lyckades rena fram penicillin från mögelsvampen och injicerade det i möss och visade på så sätt att substansen inte var giftig. Florey insåg då möjligheten att penicillin skulle kunna användas som medicin, ett antibiotikum, och började planera för ett mer storskaligt projekt. De odlade upp stora mängder av mögelsvampen och renade fram penicillin. Därefter infekterade de kaniner med en dödlig dos Stafylokocker. Hälften av kaninerna fick penicillin och den andra hälften fick ingenting. I den grupp som inte fick penicillin dog alla kaniner snabbt, men de som fått penicillin överlevde lång tid efter infektionen. Därefter genomfördes många och stora experiment för att säkert fastställa penicillinets effekt och ofarlighet innan det första penicillinet kunde testas på människor med vanliga bakterieinfektioner började penicillin produceras storskaligt.

4 Hur fungerar antibiotika? Gemensamt för alla antibiotika är att de är molekyler som påverkar system i bakterierna som är centrala för deras överlevnad. För att en bakteriecell ska kunna leva behövs det DNA som innehåller koden för cellens uppbyggnad. Proteinerna står för de flesta funktionerna i cellen och styr uppbyggnad av både DNA och andra strukturer i cellen. Cellväggen är också central genom att den skyddar mot omgivningen och kontrollerar vad som passerar in och ut ur cellen. De molekyler som fungerar som antibiotika, d.v.s. kan ta död på eller stoppa tillväxt av bakterier, angriper vanligtvis någon av dessa centrala system. Organiska molekyler, t.ex. en cells alla komponenter, byggs upp av relativt få atomtyper där kol-, väte-, syre- och kväveatomer är bland de vanligaste. Antibiotika och de flesta andra läkemedel är små organiska molekyler som sällan består av mer än 150 atomer, till skillnad från proteiner och DNA som kan bestå av tusentals atomer. Det som avgör vilka egenskaper en molekyl har är hur många och vilken typ av atomer som ingår och hur dessa är sammankopplade. Penicillin är ett av de absolut vanligaste antibiotika vi har. Det används för att bota vanliga sjukdomar så som halsfluss, lunginflammation, öroninflammation och hudinfektioner. Penicillin fungerar genom att angripa bakteriernas cellvägg. Denna består av långa kedjor av kolhydrater, polysackarider och kedjor av aminosyror (peptider) som är sammanfogade i ett s.k. peptidoglykanlager. Bakterier delas normalt in i två stora undergrupper; grampositiva och gramnegativa (fig. 3). Hos de grampositiva utgörs cellväggen till största delen av ett tjockt lager peptidoglykan. Gramnegativa bakterier har ett mycket tunnare lager peptidoglykan och ett yttermembran istället. G+ G- Fig. 3 Illustration av en grampositiv (G+) respektive gramnegativ (G-) bakterie. Under uppbyggnaden av cellväggen kopplar enzymer (som även kallas penicillinbindande-protein, PBP) ihop de olika byggstenarna i peptidoglykanlagret. Penicillinets struktur liknar den hos en av byggstenarna (fig. 4) och enzymet försöker bygga in penicillinet i cellväggen istället för den äkta byggstenen. Resultatet blir att cellväggen inte kan kopplas ihop på ett korrekt sätt, vilket leder till att bakteriecellen dör. Fig. 4 Två olika sätt att illustrera penicillinmolekylen (just denna variant kallas Penicillin G). Penicillin tillhör gruppen β-laktamer (beta-laktamer). Gemensamt för dessa är att de innehåller en fyrledad ring (β-laktam) som är helt nödvändig för att molekylen ska fungera som antibiotika. Pilarna visar var den viktiga β-laktamringen sitter.

5 Upptäckten av penicillin hos mögelsvampen Penicillium notatum har banat väg för många fler typer av antibiotika. Genom att man känner till hur penicillinmolekylen är uppbyggd och fungerar kan kemister på syntetisk väg i laboratoriet skapa nya molekyler som är mer effektiva, eller som kan fungera mot andra typer av bakterier. Möjligheterna koppla samman atomer till helt nya molekyler med unika egenskaper är i det närmaste oändligt. Med penicillin G som utgångspunkt kan man t.ex. skapa ampicillin (fig. 5) genom att sätta till en aminogrupp (rödmarkerad). Denna förändring gör att antibiotikat även kan verka mot gramnegativa bakterier, som har en annan typ av cellvägg än de grampositiva. Sätter man till ytterligare en hydroxylgrupp (HO) till ampicillin får man amoxicillin (fig. 6). Detta antibiotikum tas lätt upp av mag-tarmkanalen och kan tas genom att svälja en tablett, till skillnad från ampicillin som måste injiceras direkt i blodet eller muskulärt. Med andra ord finns det oändliga valmöjligheter när det handlar om att förbättra och utveckla nya antibiotika i laboratoriet, utifrån de som bakterier och svampar tillverkar i naturen. Fig. 5 Ampicillin Fig. 6 Amoxicillin När bakterier blir resistenta Problemet med resistens, d.v.s. att bakterierna blir motståndskraftiga mot antibiotika, kände man till redan vid upptäckten av penicillin. De första fallen observerades redan 1947, kort efter att det hade introducerats på marknaden. Idag är det ett växande problem och det finns många exempel på hur normalt lättbehandlade infektioner har orsakat stora problem på grund av antibiotikaresistens. Antibiotikat, t.ex. penicillin, kan i dessa fall inte längre klara av att ta död på bakterierna och göra oss friska. Istället har bakterierna hittat finurliga sätt att skydda sig och överleva. En bakterie som är resistent mot penicillin har förmågan att tillverka ett enzym, β-laktamas, som klipper sönder penicillinet så att det blir verkningslöst (fig. 7). Bakterierna kan då fortsätta att leva som vanligt. Fig. 7 β-laktamas (här illustrerat som en sax) förstör penicillin genom att bryta (hydrolysera) en av kolbindningarna i β-laktamringen.

6 Genen som styr bildandet av β-laktamas finns på små ringar av DNA som lätt kan överföras till andra bakterier. På så sätt sprids antibiotikaresistens snabbt och enkelt både inom och mellan olika bakteriearter. Men det finns fler sätt för bakterierna att bli resistenta mot penicillin. T.ex. kan de förändra de enzymer (de penicillinbindande proteinerna, PBP) som kopplar ihop cellväggen så att penicillin inte längre kan binda. Bakterierna kan också utveckla system för att pumpa ut antibiotika som tar sig in i cellerna. För att motverka utveckling av resistens behövs kraftfulla åtgärder t.ex. förbättrad hygien och minskad användning av antibiotika. En annan mycket viktig åtgärd är att hitta helt nya antibiotika som kan verka även på resistenta bakterier. Bakterier som tillverkar antibiotika Penicillium notatum är långt ifrån den enda mikroorganism som producerar antibiotika. Från arten Streptomyces griseus, som tillhör bakteriegruppen Aktinomyceter, kommer streptomycin som var ett av de första antibiotika som användes för att behandla lungsjukdomen tuberkulos. Aktinomyceter är vanligt förekommande jordbakterier. De skiljer sig lite från vanliga bakterier genom att de ofta har ett mycelieliknande växtsätt, likt svampar. De kan också bilda sporer som gör dem tåliga mot torka, värme och kemikalier, vilket gör dem särskilt lämpade för att leva i jord. Fi g. 8 Exempel på Aktinomyceter. Bilderna visar kolonier av bakterier som växer på en yta av näringslösning. Ringarna runt kolonierna på bilden till höger är sporer som bakterierna bildar för att kunna överleva under knapra förhållanden. Alla bakterier och växter producerar kemiska substanser. Man brukar tala om att organismen producerar primära och sekundära metaboliter. De primära är de som är nödvändiga för arten, t.ex. vitaminer, aminosyror, näringsämnen eller hormoner. De sekundära är de metaboliter som inte behövs, men som kan göra livet lite lättare. Ett konkurrenshöjande medel för överlevnad. Det är bland dessa sekundära metaboliter som vi finner molekyler som kan vara intressanta för människan i medicinskt syfte, som t.ex. antibiotika. Aktinomyceter, och i synnerhet Streptomyceter, har visat sig vara särskilt effektiva på att producera biologiskt aktiva sekundära metaboliter. Förutom att de kan producera molekyler som har antibiotisk effekt, producerar de även ämnen som kan användas inom medicinområdet som anticancer-, antifungal- och immunosuppressionsmedicin. Fram till 2002 hade man hittat olika molekyler med antibiotisk effekt hos

7 Aktinomyceter 1. Det är drygt 50% av alla antibiotika som man har hittat totalt hos bakterier och svampar. Ett hundratal av dessa används idag inom medicin och/eller forskning. Steg 1: Var finns bakterier? Låt eleverna göra en egen undersökning. Var finns det bakterier? Se till att du är väl insatt i säkerhetsaspekter vid arbete med mikroorganismer. Läs t ex på Material: Agarplatta Steril tops eller tandpetare Gör så här: 1. Använd en steril tops eller tandpetare och ta ett prov genom att gnugga lite på det område som ska testas. Det kan till exempel vara ditt tangentbord, dörrhandtaget eller under naglarna. 2. Stryk provet på en agarplatta. Skriv på plattan vad det är du har testat. Dt går också bra att testa att hosta eller sätta ett tumavtryck på plattan, t ex före och efter handtvätt eller handsprit. 3. Sätt på locket och tejpa igen noggrant. 4. Efter ett par dagar i rumstemperatur syns det tydligt vad som har vuxit på plattan. 5. Släng plattorna i riskavfall. 1 Bérdy. J. (2005) Bioactive Microbial Metabolites. J. Antibiot. 58(1): 1 26

8 Steg 2: Gramfärgning av bakterier För att bestämma om en bakterie är grampositiv (G+) eller gramnegativ (G-) brukar man göra en gramfärgning. G+ bakterier har en tjock cellvägg som består av peptidoglykan medan G- har en tunnare cellvägg samt ett yttermembran. G+ bakterier kan därmed behålla den kristallvioletta färgen trots avfärgning, där de gramnegativa bakterierna avfärgas. G- kan istället färgas rosaröda med safranin. Gramfärgning är ett viktigt steg i karaktäriseringen av en bakterieart. Exempel på bakteriearter som kan användas: Bacillus subtilis Escherichia coli K12 Lactobacillus acidophilus Micrococcus luteus Bakterierna kan färgas var för sig, men också en grampositiv och en gramnegativ tillsammans. Kom ihåg att det bara behövs en mycket liten mängd bakterier för att kunna se i mikroskop. Det kan också vara roligt att göra en gramfärgning med t ex. yoghurt, skrap från tungan, surdeg, produkter med aktiv bakteriekultur (t ex. Proviva) etc. För att bara kunna se bakterierna, utan att bestämma gramtillhörighet, räcker det med att göra färgning med kristallviolett eller metylenblått. Tips: Testa att fotografera mikroskopbilden genom det ena okularet i mikroskopet! Det här behövs: Koloni av bakterier, se ovan Objektsglas 0,9% NaCl-lösning Brännare Kristallviolett Vatten i sprutflaska Vatten i bägare Lugols lösning (jod och kaliumjodid i vatten) Avfärgningslösning (95% etanol eller 30% aceton i isopropylalkohol) Torkpapper Gör så här: 1. Tvätta ett objektsglas och torka. Lägg en droppe 0.9% NaCl på objektsglaset. Ta en liten mängd bakterier från en koloni med en tandpetare och blanda med natriumkloriden så det bildas en jämn bakteriesuspension. Sprid ut suspensionen så den täcker en yta av 1-2 cm2. 2. Låt bakterierna torka in på objektsglaset långsamt genom att hålla glaset över en gaslåga (bakteriesidan uppåt). Vattnet ska inte börja koka, så håll glaset en bra bit ifrån lågan.

9 3. Fixera sedan cellerna genom att föra objektsglaset snabbt genom lågan 4-5 gånger. Alternativt kan provet torkas några minuter i 110 C. 4. Droppa kristallviolett över de torkade bakterierna och vänta i 1 min. Häll av färgen och doppa sedan provet i en bägare med kallt vatten. Spola vatten försiktigt mot ena kanten av bägaren tills det inte längre löses ut någon mer färg. Var noga med att inte spola vatten direkt på provet. 5. Droppa Lugols lösning över bakterierna och vänta i 1 min. Skölj på samma sätt som i steg Luta objektsglaset snett över en bägare och droppa över avfärgningslösning tills ingen mer färg löses ut. 7. Skölj objektsglaset försiktigt som i steg Torka provet lätt med kanten på ett mjukt papper. Akta så inte bakterierna torkas bort. 9. Titta i mikroskop. Grampositiva celler är färgade blå, gramnegativa är färglösa. 10. För att göra skillnaden tydligare, droppa safranin över provet och vänta i 45 sek. Skölj provet som tidigare och torka. 11. Titta i mikroskop. Grampositiva celler är blåvioletta, gramnegativa är röda.

10 Steg 3: Test av antibakteriella ämnen Ett sätt att ta reda på om ett ämne kan döda bakterier är genom något som kallas tillväxtinhibering. Det går ut på att man lägger en liten droppe av ämnet på en näringsplatta där man först har strukit ut en matta av bakterier. Därefter låter man bakterierna växa tillsammans med ämnet över natt i 37 C. Om man inte ser någon tillväxt av bakterier där man har lagt ämnet betyder det att ämnet innehåller något som stoppar (inhiberar) bakteriens tillväxt. Bakterierna kan helt enkelt inte växa i dess närhet. Man kan i princip testa vilket ämne som helst med den här metoden. Har man ett flytande ämne kan man droppa det på ett litet filterpapper som man har stansat ut med ett hålslag. När pappret har torkat lägger man det på näringsplattan med bakterier. Exempel på flytande ämnen man kan testa är metalljonlösningar (0.2M) eller olika antibiotika. Även fasta ämnen kan man testa om de har antibakteriell aktivitet. T ex kan man prova att lägga en bit vitlök eller färsk ingefära på plattan, eller andra kryddor. Om man ser en ring runt kryddan där det inte växer några bakterier, betyder det att kryddan utsöndrar något ämne (en molekyl) som påverkar bakteriens uppbyggnad på något sätt, så att den inte längre kan växa. För att ta reda på vilken molekyl som gör att bakterierna inte kan växa behöver man separera (dela upp i olika rör) de molekyler som ämnet utsöndrar (görs i ett kemilabb). Därefter gör man om plattexperimentet igen med varje molekyllösning var för sig. Samma metod använder vi när vi analyserar de bakterier som finns i jordproverna som ni har samlat in. Men istället för att det är vitlök som ger ifrån sig en molekyl som hindrar bakterierna från att växa så är det en annan sorts bakterie (de som kallas för Aktinomyceter och som ni isolerar på era plattor) som utsöndrar ämnet.

11 Nedan beskrivs metoden för att testa antibakteriell aktivitet lite mer detaljerat. Fundera gärna över vilka ämnen du tror kan vara bakteriedödande och testa själv. Jämför sedan gärna dina resultat med en kompis. Genom att mäta diametern på ringen där det inte växer några bakterier kan man få ett mått på hur pass bakteriedödande ämnet du testat är. Det här behövs: Platta med uppodlade bakterier, t ex Micrococcus lutea eller E. coli (olika bakterier kan ge olika resultat) Sterila plattor med allsidigt närinssubstrat (t ex Nutrient agar) Kryddor, metalljonlösningar (0.2M) m.m. Provrör med ca 1 ml vatten Ympnål Sterila tops med långa träskaft (kan köpas på apotek ) Ev. Droppippetter av plast, preparernål och små, runda filterpapperslappar gjorda med hålslag. Utförande: 1. Använd ympnål och skrapa bakterier från en platta. 2. Rör ut bakterierna i ca 1 ml vatten i ett provrör. Ta så mycket bakterier att suspensionen blir kraftigt grumlig. 3. Doppa en tops i bakteriesuspensionen och stryk ut bakterierna på den rena plattan med näringsagar. Låt varje streck med topsen täcka det föregående. Vänd därefter plattan och stryk ut bakterier på tvären över den första utstrykningen. Hela ytan ska täckas med täta streck det får inte bli ett glest rutmönster! a) Vätskor kan testas genom att små runda filterpapperslappar, som tagits ut med hålslag, doppas i testlösningar. Lapparna placeras sedan på agarytan med de utstrukna bakterierna. Använ en preparernål för att flytta lapparna. b) Det går bra att ta ut brunnar i agarskiktet genom att använda en avklippt droppipett av plast. Brunnarna kan sedan fyllas med kryddpulver eller lösningar. c) Bitar av t ex vitlök och gul lök placeras på ytan. 4. Lägg plattorna i värmeskåp i ett dygn eller i rumstemperatur under ett par dagar. Avläsning: En klar zon utan bakterietillväxt runt det testade ämnet visar att det är giftigt för bakterien ju större diameter på avdödningszonen desto giftigare. (Källa: Nationellt resurscentrum för biologi och bioteknik, 2003) Vill du dela med dig av dina erfarenheter av dessa laborationer, hör gärna av dig till oss på forskarhjälpen@nobelmuseum.se.