Kamp mod bakterier

Bakteriers akilleshæl afsløret af enkeltmolekylekemi

Nikos Hatzakis er lektor ved Nano-Science Center under Kemisk Institut, Københavns Universitet. Sammen med Lektor Lars Jeuken fra Leeds Universitet, England, har han udgivet artiklen“Single Enzyme Experiments Reveal a Long-Lifetime Proton Leak State in a Heme-Copper Oxidase” i det videnskabelige tidsskrift “Journal of the American Chemical Society” (JACS)

Ubalance i pH er energikilde for bakterier

Bakterier pumper protoner ind og ud af cellerne for at fastholde en fint justeret ubalance mellem pH-værdien inde og ude. Denne ubalance, eller gradient, er energikilden til mikrobernes produktion af ATP, lidt på samme måde som en forskel i vandtryk er energikilden i et vandkraftværk. ATP er på sin side ”brændstof” for næsten alle biologiske processer i bakterien, så hvis man kan manipulere med pH-ubalancen, vil det være en magtfuld måde at slå sygdomskim ned.

pH-pumper springer læk når bakterierne bliver sure

Takket være grundige studier har holdet bag opdagelsen opdaget, at pH-balancen i bakterierne muligvis kan manipuleres ved at manipulere med protonpumperne. De opdagede, at protonpumperne øjensynligt springer læk, når surhedsgraden nærmer sig et farligt niveau inde i bakterierne. Med andre ord: De lækker, når ubalancen mellem yderside og inderside bliver for stor, siger Nikos Hatzakis.

”Jeg tror, at protonpumpen fungerer som en slags ”sikkerhedsventil” i bakterierne. Hvis vi kan designe lægemidler, der angriber denne sikkerhedsventil, får vi et uhyre kraftfuldt antibiotikum. Så protonpumperne er en alvorlig svaghed: En akilleshæl… Selv om bakterier ikke har hæle”, smiler Nikos Hatzakis.

Mindre end mikroskopisk

Protonpumpen er et enzym, der er mindre end mikroskopisk. Den måler kun fem nanometer i tværsnit og sidder på bakteriens overflade, eller membran. Det var ikke helt enkelt at komme til at måle pumpens udsivning. For at se den måtte holdet fjerne pumpen fra bakteriemembranen med kirurgisk præcision, og placere den på et præparatglas til et mikroskop. Men det var ikke nok bare at kunne se pumpen, forklarer Sune Jørgensen, som udførte hovedparten af de danske undersøgelser som del af sit ph.d.-projekt.

”Vi ville også gerne kontrollere pumperne. Tænde og slukke for dem. For at kunne gøre det, konstruerede vi en mikroskopisk elektrode. Vi gav præparatglasset et 30 nanometer tykt overtræk af guld. Det er tyndt nok til, at man kan se igennem, men samtidig elektrisk ledende, så vi kunne tænde og slukke for pumpen med en elektrisk strøm”, siger Sune Jørgensen.

Modsætning til klassisk biologisk antagelse

Opdagelsen af bakteriernes sikkerhedsventil står i modsætning til den klassiske biologiske antagelse, nemlig at enzymer og proteiner er enten aktive eller slukkede. At støde på et enzym, der var aktivt, men ikke fungerede optimalt, er noget af en overraskelse, siger Hatzakis.

”Vores resultat er indlysende interessant, på grund af anvendelsesmulighederne inden for antibiotikaudvikling, men samtidig giver det også svar på et grundlæggende spørgsmål om, hvordan enzymer fungerer”, siger Hatzakis og fortsætter: ”For at afkode denne her funktion måtte vi benytte en enestående kombination af kemisk og biologisk viden og nano-teknologiske metoder. Der var aldrig før nogen, der havde undersøgt en enkelt pumpe, mens den arbejdede, men det lykkedes for os at kigge på en eller nogle ganske få ad gangen. Det synes vi er ret sejt”, smiler Nikos Hatzakis.

Opdagelse baner vej for nye anvendelser

Som mange af de bedste svar inden for videnskab, åbner dette også for nye spørgsmål og baner vejen for nye anvendelser, siger Hatzakis.

”Om vi kan designe lægemidler, der evner at udnytte bakteriernes svaghed kan meget vel vise sig at blive det næste store spørgsmål, som skal besvares med enkeltmolekyleteknikker her på Nano-Science Center, Kemisk Institut, Københavns Universitet.