20/07/2024
Interaktionen mellem bakterier og metaller er et fascinerende område inden for videnskaben, der afslører overraskende og vigtige relationer. På den ene side har vi opdagelsen af bakterier, der faktisk spiser metal som en energikilde, et koncept, der længe har været spekuleret i, men først for nylig er blevet bevist. På den anden side findes der metaller med bemærkelsesværdige antibakterielle egenskaber, som potentielt kan revolutionere måden, vi bekæmper infektioner på, især i sundhedsvæsenet.
Bakterier der spiser metal: En ny opdagelse
I mere end et århundrede har forskere spekuleret i, om der findes bakterier, der kan leve af metal. Nu har mikrobiologer fra California Institute of Technology (Caltech) ved et tilfælde gjort netop denne opdagelse. Under eksperimenter med en kridtagtig type mangan, et almindeligt kemisk element, stødte de på en ny type bakterie, der får energi og kalorier fra metal.
Dr. Jared Leadbetter, professor i miljømikrobiologi ved Caltech, efterlod et glas med mangan i vand fra hanen i sin vask. Da han vendte tilbage efter flere måneder, var glasset dækket af et mørkt materiale. Undersøgelser afslørede, at dette mørke lag var oxideret mangan, produceret af en nyopdaget bakterie, der sandsynligvis var i vandet fra hanen. Interessant nok tyder beviser på, at slægtninge til disse bakterier findes i grundvandet, hvorfra en del af Pasadenas drikkevand kommer.
Denne forskning, publiceret i tidsskriftet Nature, viser, at disse bakterier er de første, der bruger mangan som energikilde. De bruger mangan i en proces kaldet kemosyntese, hvor de omdanner kuldioxid til biomasse. Denne opdagelse er banebrydende, da den giver os en bedre forståelse af grundvandssystemer og vandforsyningssystemer, der kan blive tilstoppede af manganoxider. Forståelsen af, hvordan og hvorfor manganoxider dannes, har længe været en gåde, og disse bakterier kan være svaret.
Forskere mener også, at denne opdagelse kan hjælpe os med at forstå mangannoduler, store metalkugler fundet på havbunden. Disse noduler indeholder ofte sjældne metaller, og denne nye viden om metal-spisende bakterier kan kaste lys over deres dannelse og potentielle udnyttelse.
Halomonas titanicae: Metalspisende bakterier i havet
Et andet eksempel på metal-spisende bakterier er Halomonas titanicae, en bakterie opdaget i rustikler fra vraget af RMS Titanic. Denne gram-negative, stavformede bakterie accelererer korrosionen af stål ved at reducere Fe(III) til Fe(II) i iltfattige miljøer i dybhavet. Ironisk nok kan den under aerobe forhold faktisk hæmme korrosion ved at forbruge opløst ilt.
Halomonas titanicae er ikke kun interessant for sin rolle i korrosion, men også for sin evne til at overleve i ekstreme miljøer. Den er halofil og producerer osmoprotektanter som ectoin, hydroxyectoin og betain, der hjælper den med at modstå højt osmotisk tryk i dybhavet. Dette gør den til en modelorganisme for studier af liv under ekstreme forhold.
Desuden undersøges Halomonas titanicae for sit bioteknologiske potentiale. Dens evne til at danne biofilmer og reducere metalioner gør den interessant for bioremediering, især til rensning af forurenet vand og nedbrydning af industrielt affald, herunder tungmetaller og sulfater. Dens jernreducerende egenskaber kan bruges til at rydde op i forurenede akvatiske miljøer eller til kontrolleret nedbrydning af marine konstruktioner som udtjente skibe og olieplatforme.
Metaller med antibakterielle egenskaber: Kobber som frontløber
Mens nogle bakterier spiser metal, er andre metaller dødelige for dem. Kobber er et af de mest veldokumenterede metaller med antimikrobielle (antibakterielle og baktericide) egenskaber. Overflader af antimikrobielt kobber, herunder legeringer som messing og bronze, er blevet brugt i sundhedsvæsenet og andre miljøer for at reducere spredningen af bakterier.
Talrige studier har vist, at mikroorganismer kan overleve i lang tid på ikke-levende overflader, hvilket er et særligt problem i sundhedsvæsenet. Typiske kontaktpunkter på hospitaler, som sengehåndtag, alarmknapper, borde, stole, dørhåndtag, lyskontakter, gelændere og dispensere, kan være stærkt forurenede med farlige bakterier som MRSA og VRE. Forskning viser, at omkring 80% af alle infektioner overføres ved kontakt, og at mikroorganismer kan overleve på overflader i uger eller endda måneder.
For at bekæmpe dette problem er der gennemført kliniske forsøg, hvor standardudstyr i hospitaler er blevet erstattet med kobber og kobberlegeringer. Resultaterne har været lovende. Tests i Storbritannien viste, at mængden af Staphylococcus aureus, E. Coli, Klebsiella pneumoniae og andre bakterier reduceredes med 90-100% på kobberoverflader sammenlignet med kontrolgrupper. Lignende resultater er opnået i kliniske forsøg i Chile og Japan.
I USA har Department of Defense også støttet forskning i kobbers antimikrobielle egenskaber for at reducere infektioner blandt sårede soldater. Tidlige resultater viste en 97% reduktion af biomasse i rum med kobberoverflader og en 40,4% lavere risiko for hospitalsinfektioner. Kobber har endda vist sig at udsende en antimikrobiel aura i sit umiddelbare miljø.
Selvom sølv er endnu mere baktericidt end kobber, er kobber et mere økonomisk overkommeligt og praktisk alternativ til bred anvendelse. Kobbers antimikrobielle egenskaber gør det til et værdifuldt redskab i kampen mod hospitalsinfektioner og kan potentielt anvendes i mange andre områder for at forbedre hygiejnen og reducere spredningen af sygdomme.
Jern og bakterier: En ny strategi mod multiresistente bakterier
Mens nogle metaller er giftige for bakterier, er andre, som jern, essentielle næringsstoffer for deres overlevelse og vækst. Jern er afgørende for mange bakterielle processer, herunder DNA-syntese, energiproduktion, ilttransport og forsvar mod oxidativ stress. Bakterier får især jern fra hæm, en forbindelse, der findes i hæmoglobin.
Denne afhængighed af jern har inspireret til en ny strategi til bekæmpelse af multiresistente bakterier. Forskere har udviklet en metode, der blokerer bakteriernes jernmetabolisme. Ved at gøre det sværere for bakterier at optage jern, kan man hæmme deres vækst og reproduktion.
En lovende tilgang er brugen af galliumporfyrin, en kemisk forbindelse, der ligner hæm i struktur, men ikke indeholder jern. Bakterier optager narreporfyrinen i stedet for hæm, hvilket forstyrrer deres jernmetabolisme og fører til deres død. Galliumporfyrin har vist sig effektivt mod multiresistente bakteriestammer, herunder ESKAPE-bakterier (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa og Enterobacter spp.).
Desuden er galliumporfyrin en fremragende fotosensibilisator, der kan anvendes i fotodynamisk terapi (PDT). PDT bruger lys til at aktivere fotosensibilisatorer, som derefter producerer reaktive oxygenforbindelser, der dræber bakterier. PDT har den fordel, at den ikke inducerer bakteriemutationer og derfor ikke fører til resistens, hvilket gør den til et lovende alternativ til antibiotika.
Konklusion
Forskningen i bakterier og metaller afslører en kompleks og fascinerende verden. Opdagelsen af metal-spisende bakterier udvider vores forståelse af mikrobielt liv og biogeokemiske cyklusser. Samtidig giver metallers antibakterielle egenskaber og nye strategier til at blokere bakteriel jernmetabolisme lovende veje til at bekæmpe infektioner og multiresistens. Yderligere forskning inden for disse områder kan føre til banebrydende innovationer inden for sundhedsvæsen, miljøbeskyttelse og bioteknologi.