Av Unni Vik
Ingen veit nøyaktig kor mange dei er, men noko har vorte klart det siste tiåret: Mengda og mangfaldet av mikroorganismar overgår det vi tidlegare har klart å førestille oss.
Unni Vik (f. 1983) har doktorgrad i mikrobiell økologi. Ho leiar i dag sitt eige post-doc-prosjekt ved Universitetet i Oslo der ho undersøkjer korleis klimaet påverkar sopp- og bakteriesamfunn. I tillegg er ho fagansvarleg i Store norske leksikon.
Foto: Litografi av protistar, eincella mikroorganismar, frå Kunstformen der Natur (1904) av Ernst Haeckel (1834–1919), Tyskland. Foto: Alamy
Forskarar verda over vekslar mellom å gå i fistel og å slå hovudet i veggen over funna. Det er ein aldri så liten vitskapleg revolusjon på gang. Årsaka er ei endring i måten vi identifiserer ørsmå mikroorganismar på, etterfølgt av ei rivande utvikling i teknologi som held revolusjonen levande.
Dagens mikrobiologar sveittar ikkje lenger berre på laboratoriet, men sit like ofte med krum rygg og firkanta auge framføre ein dataskjerm. Rekkjefølgja av fire bokstavar på skjermen er det som gjeld. Dei fire basane i arvestoffet til ein organisme, DNA-et, er oftare og oftare det einaste som mikrobiologen ser av studieobjektet sitt. Datamaskinar vert slitne ut i søket av millionar av bokstavrekkjer, på jakt etter ein ny art, ein ny funksjon eller ein ny samanheng. Sannsynet for at det ligg nye vitskaplege funn i datamaterialet på skjermen, er stort. Det kriblar i forskarmagen. Men resultata har ein kompleksitet sjølv den finaste vin kan sjå langt etter. No gjeld det å halde tunga rett i munnen, halde hovudet klårt og håpe på at resultatet lar seg tolke. Kanskje er funnet banebrytande. Kanskje legg det fundamentet for meir målretta forsking.
Eg er mikrobiell økolog og forskar på korleis klimaendringar kan påverke samfunn av ørsmå organismar som lever i jord og i planterøter. Desse organismane, som me ikkje kan sjå berre med auget, kan ha mykje å seie for kor mykje karbon som vert lagra i jord. Med ein liten bit DNA som agn fiskar eg dei ut av prøvene mine. Og for ein formidabel fangst det heile er. Eit enormt mangfald openberrar seg på dataskjermen. Teknologien gjer det mogleg å utforske den usynlege verda.
Ein mikroorganisme er ein organisme som er usynleg for auget, og som vi berre kan sjå under eit mikroskop. Dei famnar breitt i livsens tre og omfattar bakteriar, arkebakteriar, protistar og sopp. Dei fleste mikroorganismar består av berre éi celle, men det finst mikroorganismar som er fleircella. Mange typar fleircella sopp vert for eksempel rekna som mikroorganismar. Me har hatt svært avgrensa kunnskap om mikroorganismane. Unntaket har vore dei som anten er skadelege, eller som er nyttige for oss – dei som gjer at nasen din renn og gjev deg feber, og dei som sørger for at du har brød på bordet og vin i glaset. Og sjølvsagt dei me har brukt til å drepe andre bakteriar, dei me har nytta til å lage antibiotika. Og grunnen til den avgrensa kunnskapen me har hatt, er enkel: Me har mangla verktøy til å studere dei.
Forskarar har dei siste tiåra gjort svært oppsiktsvekkande funn: Dei har oppdaga mikroorganismar på dei mest utrulege stader, frå fleire kilometer under havbotnen og til langt ute i atmosfæren. Organismane finst overalt; dei omgjev oss og veks på stader ingen andre organismar kan klare seg. Dei trivst i urin, eit miljø me tidlegare trudde var fullstendig fritt for alt liv. Dei påverkar helsa vår, klimaet på kloden og vinen me drikk. Dei kan endre miljøet sitt, men har òg evna til raskt å tilpasse seg eit miljø i endring. Det siste er den stadige auken i antibiotikaresistens eit skremmande eksempel på.
Me er berre i startgropa av å utforske ei verd me knapt har kjent til. Me har så vidt begynt å avdekkje samanhengar mellom den synlege og usynlege verda, og resultata så langt er klåre: Mikroorganismar er heilt essensielle for oss og for jorda vår. Eg vil påstå at det aldri har vore meir spennande å vere mikrobiell økolog enn no. Viva la revolución!
MANGFALD AV LIV
Det er omtrent 3,8 milliardar år sidan det fyrste livet oppstod ein eller annan stad på jorda. Bitte små, eincella bakterieliknande organismar som var i stand til å reprodusere seg og til å mutere. Saman med ei lang rekkje tilfeldige hendingar sette dei fyrste mikroorganismane premissane for alt anna liv som utvikla og spreidde seg over kloden vår. Somme heldt fram med å utvikle seg som eincella organismar. Andre utvikla meir komplekse celleformer, og nokre av desse att utvikla seg etter kvart til fleircella organismar. Sakte, men sikkert, endra mikroorganismar kjemien i atmosfæren og bana slik veg for andre organismar på kloden vår. Resten av historia kjenner me. Planeten me bur på, er ein yrande planet. Han er full av synleg liv. I tropiske farvatn smett fargerike fiskar i alle fasongar mellom dei imponerande korallreva, medan delfinar leikar seg klisjéfullt i havoverflata. På dei afrikanske savannane vandrar ikoniske storheiter dagleg inn i solnedgangen. I Arktis sit ein einsam isbjørn trist på toppen av eit smeltande isflak og vitnar overfor verda om at me menneske er i ferd med å øydeleggje det globale klimaet.
Forskarar og eventyrarar har i mange hundreår reist fjernt og nær i jakta på nye vitskaplege funn. Me veit ganske mykje om det synlege livet. Me har namn på fiskane som lever mellom dei namngjevne korallane på korallrevet. Me skil lett mellom sjiraff og løve i solnedgang på dei afrikanske savannane. Og me veit at tida er i ferd med å renne ut for mange former for liv på ein stadig varmare klode. Det synlege livet er forholdsvis lett å observere og studere.
Mangfaldet av synlege organismar er stort. Over ein og ein halv million artar har vorte observerte, studerte og klassifiserte. Etter kvart har me fått eit heilt greitt overslag over kor mange artar som finst av dei synlege organismane. Dei fleste forskarar er ganske samde om overslaga. Me reknar for eksempel med at det i dag finst ikring 6 000 artar av pattedyr (om lag 5 850 artar er beskrivne), rundt 400 000 planteartar (om lag 350 000 artar er beskrivne) og rundt fem og ein halv million artar av insekt (like over ein million artar er beskrivne). Fordi det synlege livet let seg observere, veit me òg mykje om korleis desse artane oppfører seg i naturen: Me veit korleis eksotiske fuglar dansar sin finurlege paringsdans og omhyggjeleg byggjer reiret sitt. Me veit at billene til naboen er i ferd med å øydeleggje treverket i huset hans, at sjøstjernene i Antarktis har fest og meskar seg i alt av skjel dei måtte komme over, at blomen på fjelltoppen i Jotunheimen endrar farge når han er ferdig pollinert, og at hjorten i skogen brølar etter ein make. Jamvel om biletet vårt av det synlege livet ikkje er komplett, har me likevel ei heilt OK oversikt.
DET USYNLEGE LIVET
Kunnskapen om det ørsmå livet står det diverre langt dårlegare til med. Trass i den formidable fartstida dei har på jorda, har me fram til no visst svært lite om dei. Mikroorganismar er ikkje lette å studere i felten av den enkle grunn at me rett og slett ikkje kan sjå dei. Likevel veit me at dei er der. Eitt gram jord, for eksempel, kan innehalde ti milliardar bakterieceller. Og alt me ser når me grev opp ei lita teskei med jord frå bakken, er nettopp det: svart, tilsynelatande livlaus jord.
Korleis ser ein nærmast usynleg mikroorganisme ut? For å sjå det yrande livet som finst i jorda, brukar mikrobiologar eit mikroskop, og synet som møter forskarane, er sjeldsynt spektakulært: Bakteriar har sjeldan utsjånaden på si side. Dei har eit avgrensa sett av utsjånader å spele på. Cellene er runde, avlange, kommaforma eller skrueforma. Nokre kan sjå vortete ut, andre som om dei har eitt eller fleire hår. Men i det store og heile har bakteriar ikkje så stort spekter i utsjånad. Dei er keisame på den måten.
I tillegg manglar dei ofte karismatiske trekk som skil dei frå andre i ei mengd av andre runde, avlange, kommaforma eller skrueforma artar. For å identifisere dei sikkert må vi ta i bruk andre metodar enn berre å forske på utsjånaden. Ein kan for eksempel nytta biokjemiske karakterar, som til dømes kva enzym bakterien skil ut. Men dette kan ta lang tid og krev at bakterien kan dyrkast i vekstskåler i eit laboratorium. Generelt er ikkje mikroorganismar særskilt begeistra for laboratorium, og dei aller fleste nektar plent å vekse der, truleg fordi me ikkje har nok kunnskap om kva det er som skal til for å få dei til å trivast. Mikrobiologane sit såleis att med eit særs avgrensa verktøyskrin for å studere organismane.
No må det nemnast at det eksisterer mikroorganismar med verkeleg spektakulære utsjånader i andre grupper i livsens tre. Blant anna gjeld dette enkelte soppar og protistar. Protistar er eit sekkeomgrep for organismar som korkje er bakteriar, arkebakteriar, dyr, planter eller sopp. Felles for dei er at dei er eincella. Eg vil anbefale alle å google den tyske zoologen Ernst Haeckel saman med ordet «protist» for å sjå ekstremt vakre teikningar av eit lite utval av desse eincella skapningane.
Når ein tenkjer på kor mange bakterieceller som finst berre i ei lita teskei med jord, må mengda av mikroorganismar på jordkloden vere formidabel! Men kva med mangfaldet? Om du no har googla deg fram til protistteikningane til Haeckel, har du kanskje skjønt det spektakulære mangfaldet innanfor desse særskilde organismane. Men kva med dei runde, dei avlange, dei kommaforma og dei skrueforma? Kva slags mangfald finst blant desse?
Og kva gjer dei, spør mikrobiologar, krumbøygde over dataskjermen. Det er ikkje sjølvsagt at dei sit her og sveittar, langt frå eit mikroskop og truleg utan å tenkje over om organismen på skjermen tilhøyrer ein rund, ein avlang, ein kommaforma, ein skrueforma eller ein spektakulært utsjåande kropp. Det har ei rekkje føregangskvinner og -menn sytt for.
DNA VERT OPPDAGA
I forskinga legg vi stein på stein. Arbeidet til ein forskar kan gje nye idear til ein annan, idear som kanskje vert testa ut og modifiserte av ein tredje. Og det gjerne utan at den fyrste forskaren hadde noka som helst aning om at hennar resultat kunne nyttast vidare, og på ein annan måte enn det som fyrst var meint. Over tid kan dette akkumulere nye idear eller metodar. For dagens mikrobiologar framføre dataskjermane er tårnet av kunnskap – bygd av føregangskvinner og -menn innanfor forskingsfeltet – høgt, men ikkje så gamalt. Det starta då ein sveitsisk kjemikar i 1869 oppdaga eit rart stoff i nokre kvite blodceller som han undersøkte. 25-åringen Friedrich Miescher hadde truleg inga aning om kor fundamentalt funnet skulle vise seg å vere. Stoffet var det me i dag kjenner som deoksyribonukleinsyre, betre kjend som DNA. Som i mykje anna forsking skjønte ein ikkje omfanget av oppdaginga før mykje seinare.
Fyrst på 1940-talet forstod forskarar at stoffet som Miescher hadde isolert, var spekka med genetisk informasjon som gjekk i arv frå foreldre til born. Frå dette punktet skaut forskinga på DNA verkeleg fart. Det vart jobba med å skjøne korleis det var bygd opp, altså korleis dei fire basane som utgjer DNA-et, adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T), hang saman. I 1953 publiserte den nobelprisvinnande duoen James Watson og Francis Crick ved University of Cambridge strukturen til den doble heliksen som utgjer arvestoffet[1], eit arbeid som bygde vidare på røntgenarbeid av Rosalind Franklin og Maurice Wilkins. Og med det var oppbygginga av arvematerialet i alle levande organismar avdekt.
Dei fire basane i arvestoffet kodar alt livet på jorda – frå dei minste til dei største organismane. Rekkjefølgja av dei fire bokstavane avgjer korleis ein organisme skal sjå ut, og korleis han skal fungere. Hjå menneske avgjer baserekkjefølgja om du har blå eller brune auge (tekstbøkene utelet diverre ofte oss med grøne auge), og om du kan krølle tunga di. Men DNA-et er ikkje ei konstant eining. Det endrar seg, det muterer. Og når det muterer, oppstår ei endring i rekkjefølgja til dei fire basane. Plutseleg har du ei bokstavrekkje som kodar for å kunne krølle tunge i staden for den mindre spennande ikkje-krølle-tunge-varianten. Mutasjonar kjem òg i mange former. Det kan vere endringar i ein enkelt bokstav, eller det kan vere ei endring over fleire bokstavar. Slikt oppstår når cellene skal dele seg og kopiere opp arvestoffet i nye celler. Kopimaskineriet i cellene er ikkje alltid like nøyaktig, og no og då vert det gamle DNA-et lese av feil, eller det vert sett inn ukorrekte basar i det nye DNA-et. Mutasjonar kan òg oppstå ved at framandt DNA forvillar seg inn i DNA-et, eller ved påverknad utanfrå, frå for eksempel stråling og kjemikaliar.
KVA MEIR KAN DNA-ET FORTELJE?
Kor hyppige desse mutasjonane er, varierer både over ulike delar av arvestoffet og over ulike celler. Ein har enkelte område i DNA-et som ikkje endrar seg i det heile, og ein har område i den same DNA-tråden der DNA-et endrar seg til noko som er lite attkjennande, på særdeles kort tid. Sidan DNA er noko som vert ervt frå foreldre til avkom, vert mutasjonar i DNA-et i kjønnscellene til foreldra ervde av avkommet. Små spor av mutasjonar frå alle formødrer og fedrar er sirleg nedteikna i DNA-et til organismen. Arvestoffet er rett og slett eit dokument over den evolusjonære historia til organismen.
På 1960-talet begynte forskarar å leike med tanken på å nytte arvestoffet til å avdekkje slektskap mellom artar. Men å samanlikne heile arvestoff frå A til Å var fullstendig utelukka, av fleire grunnar: Ein måtte nytte ein mindre, avgrensa bit eller område av arvestoffet. Dette området måtte vere ulikt mellom artar, men konstant innanfor ein og same art eller ei gruppe. Akkurat på same måte som at det å ha pels (alle pattedyr har pels, og det er konstant innanfor gruppa) skil pattedyr frå andre dyregrupper (dei har ikkje pels). I 1977 oppdaga den amerikanske forskaren Carl Woese eit slikt avgrensa område i arvestoffet. Dette området fanst i alle organismegrupper han studerte, men varierte mellom organismane. Woese brukte DNA-området til å byggje eit slektskapstre og avdekte med det eit heilt nytt rike – arkebakteriane. Dette var sjølvsagt eit stort og viktig resultat, men DNA-biten han oppdaga, er kanskje ei endå viktigare oppdaging. Den vert av mange sett på som sjølve startpunktet for den moderne mikrobiologien – eit splitter nytt verktøy som ein kunne nytte til å skilje mellom artar av eincella organismar, heilt utan å nytte mikroskop. Denne arvetrådbiten har seinare revolusjonert mikrobiologien. I dag finst meir enn 70 000 vitskaplege publikasjonar om dette avgrensa området i arvestoffet[2]. Og mange av dei har vore moglege på grunn av ei rivande utvikling i teknologiar som klarar å lese baserekkjefølgja i DNA-et.
Då Woese heldt på med forskinga si, var det inga smal sak å lese av baserekkjefølgja i DNA-et. Woese hadde ingen maskinar som gjorde jobben for seg, og det var tidkrevjande å forske fram rekkjefølgja av basar for dei få individa han studerte. Med tanke på kor mange mikroorganismar som finst i ei teskei jord, var det framleis ei umogleg oppgåve å undersøkje alle cellene i ho i løpet av ein forskarkarriere.
KAPPLØP SPARKAR I GANG TEKNOLOGIEN
På 1990-talet oppstod det eit teknologikappløp. Prestisje stod på spel. To forskingsleirar hadde sett seg føre å verte den fyrste til å publisere mennesket sitt arvestoff. For å krysse mållinja fyrst, få namnet sitt på publikasjonen om arvestoffet til sjølvaste mennesket, og i tillegg kunne avgjere om arvestoffet skulle verte offentleg tilgjengeleg eller patenterast, var det om å gjere raskast mogleg å lese av baserekkjefølgja i DNA-et. Det var eit kappløp mellom offentlege og kommersielle krefter, om å offentleggjere arvestoffet eller å patentere det. Leirane nytta ulik teknologi, og dei pusta kvarandre i nakken medan dei avdekte meir og meir av arvestoffet. Teknologiballen rulla. Raskare teknologiske metodar vart utvikla. Det var til slutt eit ganske tett løp mellom leirane. Stort politisk press førte i 2000 til at leirane (truleg motvillig) vart samde om å krysse mållinja på likt. Båe leirane publiserte i 2001 utkast av det menneskelege arvestoffet. Eit overraskande – iallfall for forskarane – lågt tal gen hadde vorte avdekte i den nesten tre milliardar lange baserekkjefølgja. Det menneskelege arvestoffet vart gjort kjent for offentlegheita og vart tilgjengeleg for vidare forsking, og historia kunne ha enda her. Men teknologikappløpet var springbrettet for ei rivande utvikling i teknologiar som les av DNA.
I dag les teknologiar av arvestoff i ei hastigheit ein tidlegare knapt kunne fantasere om. Me kallar dei massesekvenseringsteknologi. Maskinane som nyttar denne teknologien, spyr ut millionar av baserekkjefølgjer i løpet av få timar. Millionane av baserekkjefølgjer endar opp på dataskjermen til ein krumbøygd mikrobiolog. Det som ein forskar på 1970-talet brukte meir enn ein forskarkarriere på å undersøkje, utan hjelp frå ein datamaskin, kan ein no avdekkje på nokre timar. Med så mykje informasjon å handtere er det ikkje rart at mikrobiologen sveittar framføre skjermen. Om baserekkjefølgja på skjermen høyrer til ein rund, ein avlang, ein kommaforma, ein skrueforma, eller ein organisme med annan utsjånad, har ho neppe ofra ein tanke.
Me er midt i ein revolusjon. Me har komme til eit punkt i historia der me kan avdekkje heile samfunn som tidlegare har vore usynlege for oss. Det seier seg sjølv at det vert mykje ny kunnskap av slikt.
DEN USYNLEGE VERDA
Det enorme mangfaldet av mikroorganismar som no vert avdekt, har teke forskarane på senga. Verda over følgjer mikrobiologar med på dataskjermen medan algoritmar søkjer seg gjennom millionar av baserekkjefølgjer. Gong på gong kjem vitskapen fram til resultat vi tidlegare ikkje har sett. Ein ny art, ein ny funksjon eller ein ny samanheng. Avslørt av arvematerialet. Av DNA-et. Forskarar har avdekt nye artar i jord, i planter og i menneske. Dei har oppdaga mikroorganismar som kan ete CO2, som kan ete plastikk og som kan ete hydrokarbon. Dei har sett tette samanhengar mellom helse og mikroorganismar i tarmen. Men den nye verda er framleis veldig ny. Enno er det mykje att å oppdage.
Ingen veit sikkert kor mange artar, funksjonar eller samanhengar som finst. Det nyaste anslaget av artar med eincella organismar på jorda er ein stad mellom hundre milliardar og svimlande ein billion[3]. Det er eit høgst kontroversielt og debattert overslag, og det overgår alle tidlegare overslag som er laga. Samstundes har ingen av dei tidlegare overslaga hatt så mykje data til grunn.
Eit mangfald av mikroorganismar finst i alle miljø som har vore undersøkte. Men det er store sprik i mangfaldet. Mangfaldet av eincella organismar i jord og mangfaldet av eincella organismar langt under havbotnen er så ulikt at det knapt kan samanliknast. Jord er utan tvil det mest mangfaldige miljøet me kjenner på planeten vår. Jord er eit komplekst samansett miljø. Dei små jordkorna dannar eit eige mangfald av levestader for dei eincella organismane. Eitt gram jord på ei teskei kan huse så mange som 50 000 ulike artar av mikroorganismar. Det er nesten ti gonger talet på pattedyrartar på heile kloden vår. I ei teskei. Nøyaktig kva dei 50 000 artane på den vesle teskeia bidreg med, er framleis eit ope spørsmål. Men me veit at dei bidreg til viktige funksjonar for planeten. Dei bidreg til klimaregulering. Dei bryt ned organisk materiale. Dei frigjer næringsstoff. Dei held jorda levande. Om dei jordlevande mikroorganismane påverkar smaken i vinen din, vert heftig debattert blant forskarar. Men det er ingen tvil om at mikroorganismane er tett samanvovne med den synlege verda og heilt essensielle for oss menneske og alt det me omgjev oss med. Difor er det òg på høg tid at me lærer oss meir om den usynlege verda.
Revolusjonen innanfor mikrobiologi er i gang. Me kan kjenne att artar ved hjelp av små arvestoffområde. Det kan me takke ei lang rekkje forskarar for. Litt etter litt la dei stein på stein for oss og danna grunnlaget for ein ny måte å kjenne att artar på. Den hastigheita som arvestoff vert lesne av på ved hjelp av massesekvenseringsteknologiar, kan me takke eit teknologikappløp for. På dataskjermen til mikrobiologen finst ei enorm datamengd. Gjennom studie for studie dei siste tiåra har me blitt klar over at mikroorganismar er den dominerande livsforma på jorda. Akkurat som dei var det heilt frå byrjinga 3,8 milliardar år tilbake. Og som dei truleg vil vere i absolutt all framtid. Kunnskap om korleis mikroorganismar påverkar karbonlagring i jord, korleis dei kan ete CO2, plastikk og hydrokarbon, kan stille oss menneske sterkare i kampen mot klimautfordringane. Kan mikroorganismar bidra til at isflaket under isbjørnen ikkje smeltar så fort?
Aldri før har ein skjønt kor lite av det totale biletet av planeten vår me eigentleg ser. Jamvel om me er godt i gang med å undersøkje den usynlege verda, er det enormt mange miljø me enno ikkje har undersøkt. Svaret på det store spørsmålet om kven organismane er, og kva dei gjer, kan altså vise seg å framleis la vente på seg ei god stund. Men potensialet for den som forskar – og den som ventar – er stort. Om det nyaste overslaget over artar med mikroorganismar på jorda skulle vise seg å halde stand, kan verda sine mikrobiologar i så fall fryde seg over at 99,999 prosent av alle mikroorganismar framleis ventar på å verte oppdaga.
FAKTA
- Mikroorganismar er små, stort sett eincella organismar som er usynlege for det blotte auget. Dei famnar breitt i livsens tre og dekkjer organismar frå bakteriar og arkebakteriar til sopp og protistar.
- Arvestoff (DNA) finst i alle levande organismar og består av fire basar: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T).
- Massesekvenseringsteknologi er maskinar som les av baserekkjefølgja i arvestoff uhyre raskt.
- Ein mikrobiolog forskar på mikroorganismar. Ein mikrobiell økolog forskar på samanhengar mellom mikroorganismar og miljøet dei naturleg lever i.
NOTAR
[1] Watson, J. D. & Crick, F. H. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171, 737–738 (1953).
[2] Woese, C. R. & Fox, G. E. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. PNAS 74, 5088–5090 (1977).
[3] Locey, K. J. & Lennon, J. T. Scaling laws predict global microbial diversity. PNAS 113, 5970–5975 (2016).
