Et mikroskopisk nabodrama: Bakterier i din drikkedunk lærer af hinanden

Forestil dig, at du åbner din drikkedunk mandag morgen. Til din overraskelse glinser indersiden af et tyndt lag slim, der ikke uden videre kan skylles væk.

Drikkedunken er blevet indtaget af et fællesskab af bakterier, der har sat sig fast på overfladen og bygget et beskyttende slimstillads. Sådan et fællesskab kalder vi mikrobiologer for 'biofilm'.

Det samme sker på dine tænder (tandplak), i kanten af afløbet og på masser af andre flader. Bakterier foretrækker nemlig at bo på denne måde, og de er overalt.

Selv om vi ved, at biofilm rummer mange forskellige bakterier, har vi manglet en klar forståelse af, hvordan bakterier tilpasser sig hinanden inde i biofilmen.

Vores forskning viser, at naboskabet i biofilmen kan styre, hvilken retning bakterier udvikler sig i. Nogle arter får mindre 'variation'. Det vil sige, at der etableres færre nye versioner af bakterierne sammenlignet med de oprindelige bakterier.

Andre arter får tværtimod deres variation øget, fordi bestemte naboer giver dem et skub til at udvikle helt nye måder at være bakterie på.

Viden om biofilm kan hjælpe os med at komme problematiske bakterier til livs, uanset om de forekommer i drikkedunken, i munden, i køkkenet eller på hospitalet.

Evolution er mere end overlevelse for de bedst egnede

I skolen lærer vi, at evolution styres af tilfældige mutationer, og at 'den bedst egnede overlever'. Det er sådan set også helt korrekt, for variation og overlevelse er de grundlæggende mekanismer.

Men når bakterier lever i en biofilm, bliver forholdene, der bestemmer hvem der er 'bedst egnet', langt mere indviklede. Dette skyldes de naboforhold, der skabes af biofilm.

Når vi studerer bakteriers evolution, holder vi øje med, hvordan de forandrer sig fra en generation til den næste.

I en biofilm bor forskellige slags bakterier så tæt, at de deler næring, konkurrerer om plads og påvirker hinandens adfærd gennem kemiske signaler. Samtidig ændrer biofilmen sig hele tiden og skaber små lommer med forskellige mængder ilt, fugt og næring.

Det betyder, at overlevelse ikke altid peger i én retning, men afhænger af, hvilke naboer bakterierne har, og hvor i biofilmen de befinder sig.

Med andre ord: Evolution i biofilm følger de samme principper som alle andre biologiske arter, men variation formes af de mikroskopiske relationer mellem cellerne og af biofilmens lokale miljø.

Naboskabet påvirker udviklingen

Det er ofte en udfordring for forskere at studere biofilm, fordi de er som byer, der konstant ændrer deres arkitektur.

For at undersøge, hvordan bakterier udvikler sig, når de lever sammen i biofilm, lavede vi to eksperimenter. Her dyrkede vi biofilm i specialdesignede 3D-printede systemer og på små plastikstykker, så vi kunne følge deres udvikling i forskellige miljøer.



Det gav os mulighed for at sammenligne biofilm, hvor kun få arter boede, med indviklede biofilm, hvor mange arter delte plads og ressourcer.

For at finde ud af, hvordan de havde udviklet sig, flyttede vi dem over på en plan overflade med næring. Her voksede bakterier i små kolonier, der kan ligne alt fra glatte cirkler til ru, foldede mønstre.

Bakteriernes udseende afslører, hvilke nye varianter af bakterien der er opstået. Det gjorde det muligt at opdage selv meget små forandringer fra én generation til den næste.

Men udseendet alene fortæller ikke hele historien. Derfor sammenholdt vi vores observationer med målinger af vækst og adfærd samt gen-analyser, som kan afsløre ændringer, man ikke kan se direkte.

På den måde kunne vi kortlægge, hvordan naboskabet i biofilmen påvirkede udviklingen, hvilke muligheder der opstod, og hvilke der blev begrænset.

Mange naboer kan bremse bakteriers udvikling

Sammenligningen viste meget forskellige mønstre i udviklingen af to ellers næsten ens bakteriearter: Pseudomonas defluvii og Pseudomonas brenneri.

Når bakterien – P. defluvii – voksede alene, så vi en tydelig spredning til forskellige typer.

Det betyder, at bakterien afprøvede flere strategier og udviklede forskellige 'versioner...