Naturens egen magi: Når 2+2 blir 12

Dette likner på det vi oppdaget da vi analyserte enzymer inne i bakteriene. Disse enzymene er små hjelpere som hjelper bakteriene til å slå tilbake mot antibiotika, for eksempel penicillin. Men når disse enzymene endrer seg litt, så skjer det uventede ting.

Enzymene – livets små hjelpere

Enzymer er i hovedsak proteiner, og de både starter og holder i gang de kjemiske prosessene i alle levende organismer. Enzymene fremmer de kjemiske reaksjonene, uten at de selv brukes opp i prosessen. Dessuten øker de hastigheten på de kjemiske reaksjonene så mye at noen av prosessene bare tar noen sekunder istedenfor uker.

Det er også enzymene som gjør det mulig for cellene våre å trekke energi ut av det vi spiser, å lagre energi som fett og karbohydrater slik at vi har energi å gå på, og å bygge opp alle de bestanddelene som en levende celle består av - inkludert enzymene selv.

Kjemisk sett kan liv sies å være resultatet av et kontrollert system av samarbeidende kjemiske reaksjoner som er startet og vedlikeholdt av enzymer.

Så langt vi vet finnes det vel 3000 forskjellige enzymer som driver med dette.

Når enzymene jobber mot oss

Noen av dem kaller vi betalaktamase-enzymer. De hjelper bakteriene med å overleve angrep fra våre antibiotika ved å bryte dem ned. Disse enzymene er ikke perfekte, men når vi bruker antibiotika utvikler de seg og forbedrer hele tiden egenskapene sine, for eksempel ved at de hjelper bakteriene i kampen mot antibiotika.

Ved å bruke antibiotika gir vi dermed ris til egen bak.

Vi forskere jobber nå med å forstå hvordan disse enzymene utvikler seg. Det er viktig for å kunne lage nye medisiner som bakteriene ikke blir så lett resistente mot. Det trenger vi nemlig for å bekjempe bakterier som ikke lengre bryr seg om de gamle antibiotikaene. Et fenomen som vi kaller antibiotikaresistens.

Christopher Frøhlich — Vakkert og litt magisk. Bakterienes enzymer kan lage skikkelig mye trøbbel for oss og antibiotikaene våre, men de er også naturens egne små kunstverk. Dette er et enzym som heter OXA-48. Det grønne du ser er mutasjonene som har skjedd med enzymet. Foto: Jan Fredrik Frantzen / UiT

Små endringer - store utslag

Noen ganger vil små feil i enzymenes gener endre på hvordan enzymene ser ut og hvordan de virker. Disse små endringene kan samarbeide på uventede måter. Det er litt som å legge til biter i et puslespill. Hvis du legger til de riktige bitene, så kan bildet bli helt annerledes enn du trodde.

Noen ganger kan to små endringer sammen gjøre en stor forskjell. Da kan 2+2 plutselig bli 12, og ikke 4. Her snakker vi om synergieffekt!

I samarbeid med forskere i Canada, Sveits og Storbritannia har vi sett på et enzym kalt betalaktamase OXA-48. Det er et enzym som er spredt over hele verden og som er involvert i penicillinresistens hos Escherichia coli-bakterier (E. coli). Vi fant ut at når vi kombinerte ulike små endringer i genene, så ble enzymene mye sterkere mot antibiotika enn vi trodde på forhånd.

Forestill deg at du skal lage en perfekt balansert krydret thai curry. De to nøkkelingrediensene her er kokosmelk og rød karripasta. Hver for seg bidrar kokosmelken og karripastaen til rettens grunnsmak, men når de kombineres oppdager du at retten ikke bare blir mer smakfull. Den får også en rikere og mer harmonisk smaksprofil som er både autentisk og karakteristisk for thai curry.

Dette eksemplet viser hvordan nøyaktig samspill og integrering av nøkkelingredienser i matlaging både kan forbedre og forsterke den samlede smaksopplevelsen av en rett betydelig.

Epistase – naturens egen magi

Å forske på slike synergieffekter hjelper oss å forstå hvordan små genetiske endringer kan jobbe sammen på overraskende måter. Dette uventede samspillet kalles epistase, og det er som naturens egen magi. Men dette fenomenet er ikke bare en kuriositet – det påvirker livene våre.

Å forstå samspillet mellom kokosmelk og rød karripasta i vår thai curry-oppskrift, der en presis balanse fører til en perfekt rett, kan sammenlignes med hvordan betalaktamase-enzymet OXA-48 tilpasser seg for å bryte ned nye antibiotika. Disse enzymene er avhengig av et komplekst og nøye avstemt maskineri der antibiotikaen må bindes til enzymet, etterfulgt av en kjemisk prosess som gjør at de kan bryte antibiotikaen ned.

Hvis både bindingen og den kjemiske prosessen ikke er optimalisert nok mot en ny antibiotika vi utsetter bakteriene for, så gir forbedringer i hver av de to prosessene bare små endringer i antibiotikaresistens. Med andre ord, å øke enzymenes evne til å bryte ned en antibiotika vil ikke føre til store økninger i resistens, hvis den ikke kan binde seg til selve antibiotikaen. På samme måte vil det ha liten effekt for enzymet å binde seg fast til antibiotikaen, hvis det ikke kan gjøre noen skade på medikamentet.

Hvis derimot både bindingen og nedbrytingen forbedres samtidig får vi uforventet store effekter, da blir 2 pluss 2 raskt 12.

Nå kan vi bruke denne vitenskapelige kunnskapen om antibiotikaresistens til å utvikle nye strategier mot resistensutvikling.

Innsikten i hvordan antibiotika påvirker mikrober og deres resistensmekanismer hjelper forskere til for eksempel å designe behandlinger og bedre legemidler som forhindrer resistensutvikling, på samme måte som en kokk justerer på ingrediensene for å perfeksjonere en rett.

Gjennom å studere disse ørsmå molekylære endringene åpner vi døren til en hel verden av nye muligheter. Det er ikke bare en vitenskapelig reise, men en reise som kan lede oss til nye oppdagelser som redder liv.

Du må som kjent kjenne din fiende for å kunne beseire ham.

Vitenskapelig referanse

"Epistasis arises from shifting the rate-limiting step during enzyme evolution of a β-lactamase"
https://www.nature.com/articles/s41929-024-01117-4

Fakta om enzymer

Enzymer er stoffer, hovedsakelig proteiner, som katalyserer de kjemiske prosessene i levende organismer. Enzymene fremmer de kjemiske reaksjonene uten at de selv forbrukes.

Det er enzymene som gjør det mulig for cellene å trekke energi ut av næringsmidlene, å lagre energi som fett og karbohydrat, og å bygge opp alle de bestanddeler som en levende celle består av, inkludert enzymene selv.

https://snl.no/enzymer

Frøhlich, Christopher christopher.frohlich@uit.no Young Investigator, Biochemistry and Enzyme Evolution

Publisert: 06.06.24 14:40 Oppdatert: 07.06.24 17:40

Helse og velferd Naturvitenskap