Månedens stipendiat - Juni 2006

Kristine Magnus

Eivind Gjerde Knutsen er månedens stipendiat i juni 2006. Eivind er utdannet cand. scient. i mikrobiologi fra UMB, og er i ferd med å avslutte sin PhD samme sted etter 4 år i forskningsgruppen Molekylær mikrobiologi ved Institutt for kjemi, bioteknologi og matvitenskap (IKBM), UMB. Eivind har studert naturlig genetisk transformasjon hos bakterien Streptococcus pneumoniae.

Eivind Gjerde Knutsen Foto: Håkon Sparre

Rett fra master til PhD
Mitt navn er Eivind Gjerde Knutsen, og jeg har vært midlertidlig ansatt ved IKBM siden august 2002. Nå, etter snart 4 år som stipendiat, regner jeg med å levere PhD oppgaven innen få uker. Jeg har utført arbeidet ved Seksjon for mikrobiologi og mikrobiell genetikk, nærmere bestemt i forskningsgruppen Molekylær mikrobiologi. Forskningen har vært ledet av gruppeleder Leiv Sigve Håvarstein, som også har vært min veileder. Medveileder har vært Ola Johnsborg, en person som også har bidratt mye. Tiden i forskningsgruppa har gått raskt, selv om jeg har vært i Håvarstein sin gruppe i snart 6 år. Jeg skrev nemlig også hovedoppgaven min her. Det ble ikke mer enn et par ukers ferie etter ferdigendt hovedfag før jeg fortsatte som PhD student. Selv om jeg hadde lært mye av hovedoppgaven, ventet nye utfordringer, og det var selvfølgelig fortsatt mye å lære.

Utveksling av DNA materiale hos bakterier
Forskningsgruppen Molekylær mikrobiologi studerer bl.a. naturlig genetisk transformasjon (også kalt naturlig kompetanse) hos bakterien Streptococcus pneumoniae og andre naturlig kompetente streptokokker. S. pneumoniae er en viktig human patogen som kan gi sykdommer som lungebetennelse, hjernehinnebetennelse, mellomørebetennelse og bihulebetennelse. Naturlig kompetente bakterier kan ta opp fritt DNA fra omgivelsene, og når dette inkorporeres i genomet vil det kunne gi bakterien en varig genetisk forandring. Bakterier som er i stand til dette vil derfor kunne plukke opp egenskaper fra andre, som resistens mot antibiotika eller evnen til å være sykdomsfremkallende på for eksempel dyr, planter eller mennesker. Fra bakteriens synsvinkel kan dette være nyttig, men for oss er det uønsket. En større forståelse for de molekylære aspektene ved denne prosessen vil derfor bidra til at vi i fremtiden kan begrense omfanget av dette. Naturlig genetisk transformasjon er også viktig å studere ut i fra et evolusjonært synspunkt, siden prosessen viser seg å ha stor betydning for hvordan livet på jorden har utviklet seg. Dessuten kan denne egenskapen anvendes for å enkelt genmanipulere bakterier, slik at de kan gjøre større nytte for seg, eller for å enklere utføre molekylærgenetiske studier på disse mikrobene.

Streptococcus pneumoniae Foto: L. S. Håvarstein

Quorum-sensing
I mitt PhD arbeid har jeg sett nærmere på naturlig kompetanse hos Streptococcus pneumoniae (pneumokokker). Det virker som om naturlig kompetanse hos denne bakterien reguleres av en celletetthetsavhengig reguleringsmekanisme kalt quorum-sensing. I en flytende kultur av pneumokokker vil kompetansetilstanden normalt skrus på når cellekonsentrasjonen har passert et gitt nivå, tidlig i den eksponentielle vekstfasen. Bakteriene kommuniserer sin tilstedeværelse til hverandre ved at cellene skiller ut et kommunikasjonssignal til omgivelsene (et feromon) som cellene samtidig kan registrere konsentrasjonen til. Slik reguleringsmekanisme er typisk anvendt til å regulere prosesser hos bakterier som fordrer et minimum av celler for å gi prosessen mening, som for eksempel utvikling av virulens hos sykdomsfremkallende bakterier. Ved kompetanseutvikling hos S. pneumoniae tenker man seg at en slik reguleringsmekanisme vil sikre at det er flere andre bakterier i umiddelbar nærhet, og at det dermed også vil være tilstrekkelig DNA tilstede for den følgende transformasjonsprosessen.

Hva er DNA-kilden ved transformasjon?
De kompetente bakteriene tar opp fritt DNA fra omgivelsene, men hvor kommer dette fra? Dette er et spennende spørsmål, og et område jeg har vært så heldig å fått arbeide en del med i min PhD oppgave. Det tradisjonelle synet på dette har vært at DNA kommer fra døde celler, men studier fra vår gruppe viser at det hos S. pneumoniae også finnes en aktiv frigjøringsmekanisme for DNA til omgivelsene. Dette skjer samtidig med at cellene får evnen til å ta opp DNA, ved at en del av cellene i populasjonen ødelegges. Jeg har anvendt mye tid på å identifisere komponenter i cellen som har betydning for denne prosessen, og har testet ut forskjellige mutanter for å prøve å finne ut hva som skjer. Blant annet har vi ødelagt genet cbpD, som koder for et mulig murein hydrolase protein som er assosiert med celleveggen. Vi har sett på hvordan fraværet av et funksjonelt CbpD påvirker DNA frigjøringsprosessen, og resultatene tyder på at CbpD har en nøkkelrolle i prosessen. Med denne erkjennelsen er vi kommet et skritt nærmere i forståelsen av hvordan DNA frigjøringsmekanismen fungerer, og det gjorde det enklere å forske videre på denne problemstillingen.

Studier av kompetanseinduserte gener
Da jeg begynte å arbeide med S. pneumoniae for nesten 6 år siden var det ikke fullstendig kartlagt hvilke gener som utrykkes under kompetanseutviklingen, og for identifiserte gen var funksjonen ofte ukjent. Nylige utførte studier har identifisert et spesifikt og lett gjenkjennbart motiv i reguleringsområdet til genene som koder for komponentene i det tidligere omtalte quorum-sensing reguleringsapparatet. Ved å lete etter dette motivet ble flere kandidatgener identifisert som vi ønsket å undersøke nærmere. Blandt flere gener vi undersøkte var qsrAB, som koder for et transportprotein i celleveggen. Vi kom til å arbeide spesielt mye med disse genene, fordi det viser seg at qsrAB har en spesiell form for regulering. Disse genene utrykkes i vanlige celler, men utrykket øker når pneumokokkene blir kompetente. Det vi oppdaget var at qsrAB også kan slås på gjennom et annet reguleringssytem hos S. pneumoniae som til vanlig regulerer produksjonen av en gruppe antimikrobielle peptider hos denne bakterien. Det regulatoriske området til qsrAB ble studert, og resultatene våre viser blant annet at begge reguleringssystemene kan virke direkte på det genregulatoriske området foran qsrAB. Vi kjenner ikke til at en slik form for regulering er vist tidligere.

Regulerende BOX-elementer
I det regulatoriske området som er med på å styre utrykket av qsrAB er det som en del av DNA sekvensen et spesielt sekvensmotiv som vi også finner andre steder i genomet til S. pneumoniae. Det er en kort repetert sekvens kalt BOX, som vi finner flere enn 100 av spredt rundt i genomet. Vi ble gjort oppmerksomme på at disse kan ha en mulig reguleringseffekt når vi undersøkte utrykket til genene der BOX var tilstede kontra en mutant hvor denne var fjernet. Den siste delen av PhD perioden har jeg arbeidet spesielt mye på dette området. Studier vi har utført viser at disse BOX elementene kan påvirke ekspresjonen av gener, og vi kan tenke oss at de kan ha betydning av utvikling av prosesser som naturlig kompetanse eller virulens hos pneumokokkene.


Oppdatert: 01.04.06
Utskriftsvennlig versjon : Arkiv : Tips en venn