bakterier

For å få kunnskap om bakteriene i en kultur, er det avgjørende at den kulturen vi arbeider med inneholder bakterier av bare en type. Derfor er det avgjørende å arbeide med renkulturer som vil si at kulturen bare inneholder en bakterieart. Det er dessuten viktig å sikre at renkulturen ikke blir forurenset med andre bakterier utenfra og at bakteriene i renkulturen ikke sprer seg til omgivelsene.

For å tilfredsstille disse kravene, er det utarbeidet flere ulike arbeidsmetoder, hvor sterilteknikk er helt avgjørende. At noe er sterilt betyr at det ikke inneholder noe som er levende. Sterilisering av væsker foregår vanligvis i en autoklav under høyt trykk og ved 120^oC. Etter 20 minutter ved slike forhold, vil alt levende være drept. Løsninger som ikke tåler høye temperaturer kan gjøres sterile ved filtrering. Da blir løsningen presset gjennom et sterilt filer med porer som er så små at bakterier ikke kommer gjennom. En vanlig porestørrelse er 0,2 mikrometer. Tørre gjenstander kan steriliseres ved å utsette dem for 170^oC i 90 minutter for eksempel i et varmeskap.

Det er viktig å undersøke om en renkultur virkelig er ren og bare inneholder én bakterieart. For å gjøre dette tar man en prøve med en steril nål og sprer bakteriene ut på overflaten av en skål med næringsagar, et gelelaktig stoff, som bakterien vil vokse på. Bakteriecellene skilles fra hverandre på overflaten av agaren og hver enkelt celle gir opphav til en isolert koloni. Er kulturen ren, vil alle koloniene se like ut. Hvis koloniene på skålen er forskjellige, er ikke kulturen ren. Ved å plukke ut en enkelt koloni med en steril nål og deretter overføre kolonien til en ny kolbe med steril næringsbuljong, kan vi få en ny renkultur.

Med en renkultur, er det enkelt å undersøke bakteriene biokjemisk. Kulturen høstes i en sentrifuge før bakteriene knuses mekanisk eller kjemisk for å få ut innholdet. Dette cellefrie ekstraktet et er utgangspunktet for eksempel når det gjelder å isolere DNA eller proteiner, eller måle aktiviteten til enzymer.

For å isolere bestemte bakterier fra naturen, brukes anrikningskulturteknikk. Da blir forholdene lagt til rette slik at bare en bestemt type bakterier vil vokse opp. Et eksempel er nitrogenfikserende bakterier som lever i jord og kan utnytte nitrogengass (N₂) fra luft som kilde til nitrogen. For å få tak i disse bakteriene, brukes et vekstmedium uten noe bundet nitrogen, som NH₃, NO₃^- eller aminosyrer. Når litt jord tilsettes, vil bare bakterier som kan utnytte nitrogengass fra lufta vokse opp.

I løpet av de siste årtiene har kunnskapen innenfor molekylærbiologi økt enormt og ført til, stadig enklere og billigere metoder for analyse av bakterier, planter, mennesker og andre dyr.

Maskiner som sekvenserer DNA (bestemmer rekkefølgen av baser i DNA) blir stadig raskere og billigere og har ført til mye ny kunnskap. Fullstendige genomer, såkalte hel-genomer fra så ulike organismer som bakterier og mennesket er sekvensert, og informasjonen ligger lagret i store databaser hvor den lett kan hentes ut.

Har vi et lite stykke DNA fra en ukjent bakterie, kan vi først bestemme rekkefølgen av baser ved å sekvensere DNA-biten, og deretter lete etter en «match» i en database. Dette vil kunne gi informasjon om hvilken organisme vi har med å gjøre. Denne teknologien er grunnlaget for de store prosjektene som går ut på å kartlegge menneskets mikrobiom; det vil si alle ulike arter av mikrober på og i kroppen.

Molekylærbiologiske metoder gjør det enkelt å vise slektskap mellom organismene. Ved hjelp av DNA-analyser er det mulig å sammenligne gener fra ulike arter, og få vite graden av slektskap mellom dem. Det er vanlig å bruke genet for ribosomalt RNA, rRNA, til dette formålet. Resultatene fra slike analyser er årsaken til at prokaryote organismer faller i to grupper (domener); Bacteria (bakterier) og Archaea (arker, urbakterier). I tillegg til disse to domenene finnes et tredje domene Eukarya som omfatter alle eukaryote organismer (sopp, planter, dyr). Inndelingen fremstilles ofte i form av et såkalt fylogenetisk stamtre, livets tre. Roten av treet er LUCA (Last Universal Common Ancestor), som regnes som den cellen alle andre er oppstått fra.

Det finnes tusenvis av ulike bakterier, og det er nødvendig å ha et praktisk system for å identifisere bakterier som vi allerede har kunnskap om. For eksempel når det gjelder sykdomsframkallende bakterier, er det viktig å vite hvilken bakterie en har med å gjøre for å finne fram til riktig medisin.

Noen bakterier har så spesielt utseende at det er lett å identifisere dem i et godt mikroskop. I tillegg er det nødvendig å bruke andre egenskaper hos bakteriene enn det vi ser i mikroskopet.

Egenskapene som vanligvis brukes til klassifisering av bakterier er:

Egenskaper som kan undersøkes i mikroskop:

• form (kokker, staver, spiriller)
• gramfarging
• anordning (enkeltceller, celler i kjeder)
• bevegelse
• endosporer

Biokjemiske og fysiologiske egenskaper:

• forhold til oksygen (aerob, anaerob, fakultativt anaerob)
• nærings og energikilde (uorganisk, organisk)
• pH-område og pH-optimum for vekst
• temperaturområde og temperaturoptimum for vekst
• krav til vekstfaktorer
• produkter som skilles ut (for eksempel melkesyre)
• følsomhet overfor antibiotika

En mye brukt inndeling av bakterier er i hovedgruppene kokker og staver etter deres ytre form, videre i grampositive og gramnegative etter deres fargingsegenskaper ved gramfarging, og i aerobe og anaerobe etter om de lever i oksygen eller ikke. Blant gramnegative staver finnes det også bakterier som kan leve både med og uten oksygen. Disse kalles fakultativt anaerobe. De grampositive stavene deles i tillegg inn etter deres evne til å danne sporer.

Når en bakteriecelle har nådd en viss størrelse, deler den seg i to og gir opphav til to identiske celler som også er identiske med morcellen. Tiden det tar fra en nydannet celle er blitt til to datterceller er generasjonstiden. Under gunstige forhold vokser bakterier raskt, for eksempel kan tarmbakterien Escherichia coli ha en generasjonstid på 20 minutter når vi dyrker den i laboratoriet. Noen bakterier kan under visse forhold ha en generasjonstid på bare 12 minutter, men i naturen har de fleste bakterier normalt mye lenger generasjonstid.

Det er helt nødvendig at de to dattercellene etter en deling har et fullstendig sett av gener, og derfor er celledelingen en velordnet og kontrollert prosess særlig når det gjelder kromosomet, som blir kopiert før cellen deler seg.

Med vekst hos bakterier menes vanligvis økning i antall celler, ikke i cellestørrelse. Når bakterier vokser og celletallet øker, er resultatet en populasjon av bakterier. For å få kunnskap om vekstforhold hos bakterier er det vanlig å undersøke populasjoner. I et forsøk som starter med en enkeltbakterie av et bakterieslag med en generasjonstid på 30 minutter, vil det være to bakterier etter 30 minutter, fire etter 60 minutter, åtte etter 90 minutter, og så videre. I begynnelsen øker antallet langsomt fordi det er få bakterier tilstede. Med tiden øker antallet raskere og raskere, og etter n antall delinger har vi 2ⁿ bakterier i populasjonen. Hver bakterie gir et konstant bidrag til veksten. En populasjon som vokser på denne måten vokser eksponentielt (logaritmisk).

Veksten stopper opp fordi det med tiden alltid er noe i omgivelsene som er begrensende Dette gjelder alle populasjoner enten det er fisk, mennesker eller bakterier. Hos bakterier er det oftest næringsmangel eller produksjon av skadelige forbindelser som for eksempel syre som begrenser veksten.

Alle organismer, må ha tilgang på energi og karbon (C) til vekst og vedlikehold, og som gruppe viser bakteriene stort mangfold når det gjelder hva de kan utnytte til disse formålene. Nesten alle forbindelser, både enkle molekyler som glukose og makromolekyler som cellulose, kan utnyttes av en eller annen bakterie. Små molekyler blir tatt opp direkte av bakteriene, mens store molekyler først blir spaltet i mindre ved hjelp av enzymer som bakteriene skiller ut. Noen bakterier lever godt på enkle uorganiske forbindelser som hydrogensulfid (H₂S) eller ammoniakk (NH₃₎ mens andre inneholder klorofyll og har fotosyntese.

Organismer som utnytter energi fra lyset kalles fototrofe, og de som får energi fra kjemiske forbindelser kalles kjemotrofe. Organismer som kan klare seg med CO₂ som eneste karbonkilde kalles autotrofe, mens de som må ha organiske forbindelser som karbonkilde kalles heterotrofe.

En måte å holde orden på de hundrevis av bakteriene vi kjenner, er å plassere dem i grupper etter hva de bruker som karbon- og energikilde. Tabellen viser en slik inndeling og gir noen eksempler på bakterier innenfor hver gruppe

Inndeling av bakterier etter næringskrav:

Grunnstoffet karbon (C) går gjennom et kretsløp på Jorda hvor ulike forbindelser som gassene karbondioksid, CO_2, og metan, CH₄, og organiske forbindelser som glukose og fett deltar. Alle organismer, også bakterier, har viktige roller i karbonkretsløpet gjennom sine aktiviteter. Sollyset driver kretsløpet ved at energien i lyset blir omdannet til kjemisk energi i fotosyntesen hos grønne planter og noen bakterier. Den kjemiske energien brukes til flere ting, blant annet til å lage glukose fra CO₂. I sin tur omdannes glukosen til andre molekyler i plantecellene og bakteriene. I neste omgang blir dette materialet næring til dyr og mikroorganismer som omsetter det blant annet til CO₂ og kretsløpet er sluttet.

Blågrønnbakterier er en utbredt og viktig gruppe av bakterier som har fotosyntese og omdanner CO₂ til organiske forbindelser._.

Noen mikrober i karbonkretsløpet danner metangass, CH₄ når de bryter ned organisk materiale. Metandannende, metanogene, organismer hører til riket Archaea, er strengt anaerobe, lever i sumper, i bunnen av innsjøer og i tarmen hos dyr og mennesker. I vomma hos drøvtyggere som ku og sau er det enorme mengder av metandannende mikrober. Her lever de på cellulose og annet plantemateriale i foret og produserer metan som de raper opp og promper ut.

I likhet med karbon, går grunnstoffet nitrogen, N, gjennom et kretsløp på Jorda, og her spiller ulike bakterier en stor rolle.

Nitrogen finnes i jord og vann i form av ammonium NH₃ (NH₄⁺) og nitrat NO₃^- som mikroorganismer og planter tar opp og bruker til å lage nitrogenholdige organiske forbindelser. Disse forbindelsene går i sin tur videre gjennom næringskjedene og nitrogenatomene kommer tilbake til jorda når organismene skiller ut avfallsstoffer som urin, eller når de dør. Mye av ammoniakken som blir frigjort i jord og vann, blir tatt opp av bakterier og brukt til å lage aminosyrer. Spesielle bakterier omdanner ammoniakk til nitritt NO₂^- som andre bakterier omdanner videre til nitrat NO₃^-. Denne måten å danne nitrat på kalles nitrifisering og utføres av nitrifiserende bakterier.

Atmosfæren inneholder omkring 78 prosent nitrogen og er det største lageret av nitrogengass, N₂ på kloden. Verken planter eller dyr kan nyttiggjøre seg nitrogengass direkte, men noen bakterier har denne evnen. De omdanner nitrogengass, N₂, til ammoniakk NH₃ (eller ammonium NH₄⁺ ) ved en energikrevende reaksjon som kalles nitrogenfiksering (nitrogenbinding). De nitrogenbindende bakteriene bruker produktet av reaksjonen, NH₄⁺, til å lage aminosyrer og andre byggesteiner, som trengs for å lage protein og DNA. Skal nitrogenkretsløpet fungere, er de nitrogenbindende bakteriene avgjørende.

Utviklingen av molekylærbiologi og genteknologi er grunnlaget for moderne bioteknologi innenfor landbruk og industri og har i stor grad vært basert på arbeid med bakterier. At det er mulig å endre gener og deretter overføre gener fra en organisme til en annen gir store muligheter. Bestemte gener fra dyr og planter kan lett isoleres og deretter bli satt inn i for eksempel bakterier. Bakteriene vil da produsere de produktene som genene koder for. Hormonet insulin var et av de første livsviktige produktene som ble produsert i bakerier på denne måte og nå brukes tilsvarende metode i produksjon av vaksiner og veksthormon.

Bakterien Agrobacterium tumefaciens forårsaker gallesyke hos mange planter. Den inneholder et plasmid, T-plasmid, som har evnen til å sette inn gener i plantens arvemateriale og forårsake dannelse av svulster. Ved hjelp av T-plasmidet er det satt inn nye gener i mange planter. Blant annet er det framstilt kaffeplanter med mindre koffein i bønnene, tomater som modnes langsomt og bomullsplaner som er motstandsdyktige mot sykdom.

En annen bakterie som er viktig for landbruket er den sporedannende Bacillus thuringensis. Det spesielle med den er at den produserer et protein i form av en krystall når den danner endosporer. Proteinet er et toksin, Bt toksin, som produseres og brukes for å drepe insektslarver. Ved hjelp av DNA-teknikk (T-plasmidet fra A.tumefaciens) er genet for toksinet isolert og satt inn i viktige matplanter På den måten produserer planten selv toksinet og sprøyting blir unødvendig.

Antakelig finnes det ingen naturlig kjemisk forbindelse som ikke en eller annen bakterie kan utnytte. Dette utnyttes i praksis når det gjelder renovering av avfall. Fjerning av uønskede forbindelser ved hjelp av mikroorganismer kalles bioremediering. Dette er særlig viktig i forbindelse med renseanlegg for kloakk og avfallsvann. I renseanleggene blir partikler og faste stoffer først fjernet mekanisk. Deretter blir avfallsvannet behandlet med bakterier: først anaerobt og så aerobt. Det er mange ulike bakterier som deltar, blant annet arter i slekten Pseudomonas.

Oljenedbrytende bakterier hjelper til med å fjerne oljen etter oljelekkasjer og mange andre bakterier brukes praktisk til å bryte ned giftige stoffer.