Abstrakt
1928 observerade Sir Alexander Fleming bakteriedödande effekterna av penicillin i sitt laboratorium i London. Detta var det första steget i upptäckten av en av de viktigaste pelarna i dagens medicin: antibiotika. Det tog många år att hitta ett sätt att producera penicillin i stora mängder, och storskalig produktion började inte förrän 1945., Men till denna dag anses Fleming vara antibiotikans far, och utan hans upptäckt kunde vi inte behandla många infektioner orsakade av bakterier. Detta innebär att även ett litet infekterat sår utan antibiotika kan bli dödligt. Dessutom är operationen mycket säkrare med antibiotika, och personer med svagt immunförsvar (som barn eller äldre) kan nu enkelt återhämta sig från bakterieinfektioner. Bakterierna blir emellertid resistenta mot antibiotika, vilket också förutspåddes av Fleming 1945, under sitt acceptanstal för Nobelpriset.,
små fiender och vänner
bakterier är mycket viktiga för oss. De lever på oss och inom oss, och vi använder dem för att få vissa näringsämnen från mat, bland många andra saker (Läs mer i denna unga sinnen artikel; Vi är aldrig ensamma: att leva med den mänskliga Microbiota ). Men vissa bakterier, som kallas patogener, kan också orsaka infektioner och vissa patogener kan vara mycket farliga. Patogena bakterier är en av de viktigaste ämnena mikrobiologi, som är studiet av mikroorganismer: små former av liv som inte kan ses av blotta ögat., Mikrobiologer har ställts inför samma frågor sedan bakterier upptäcktes. Hur infekterar bakterier människor, och viktigast av allt, finns det något som kan göras för att stoppa dem?
en enskild bakterie kan endast ses med ett mikroskop. Men de flesta bakterier växer bra i en miljö med massor av näringsämnen, och buljonger mycket rik på näringsämnen (även känd som flytande medium) kan användas för att odla bakterier ., Om ett provrör med steril buljong och ett litet antal bakterier i den inkuberas vid en viss temperatur blir vätskan grumlig om några timmar och det kan till och med förändras i färg. Om en geléliknande substans tillsätts till buljongen och blandningen upphettas för att smälta gelén, kan detta ämne hällas på tallrikar (även kända som petriskålar) för att svalna, får du en näringsrik gelé, även känd som fast medium. Bakterier kan odlas på ytan av ett fast medium. Om vi lägger till tillräckligt med bakterier kommer de att täcka hela ytan av den näringsrika gelén., Om bakterierna späds ut och sprids ut tillräckligt på plattan, kommer en enskild bakterie att replikera så mycket att den så småningom kommer att producera en stor grupp bakterier synliga med blotta ögat, vilket vi kallar en bakteriell koloni. Om den ursprungliga bakteriekällan innehöll mer än en typ kan kolonier av olika typer av bakterier växa på det fasta mediet. När vi rör bara en av dessa kolonier med ett sterilt föremål och skickar bakterierna till ett sterilt flytande eller fast medium, kan vi producera en ren kultur, som bara bör innehålla en typ av bakterier ., Rutinmässigt arbetar mikrobiologer med rena kulturer för att kunna nå tydliga slutsatser från sina experiment med en enda typ av bakterier. Om deras arbete inte görs under sterila förhållanden kan rören och plattorna bli förorenade av andra bakterier eller till och med några mikroskopiska svampar som lever i miljön. Om det händer, kasserar de flesta mikrobiologer den kulturen och börjar igen. Men Fleming var annorlunda än de flesta mikrobiologer.
en olycka som väntar på att hända…
på morgonen Måndag, September 3, 1928, Fleming kom tillbaka från en familjesemester ., Innan han gick på semester arbetade Fleming med en mycket vanlig patogen: Staphylococcus aureus. Fleming lämnade några glas Petrirätter på sin labbbänk, med dessa bakterier växer på ytan av fast medium. Vanligtvis skulle dessa plattor steriliseras av en laboratorietekniker för att återanvända dem i andra experiment. Fleming hade dock alltid en sista titt på alla sina experiment innan han kasserade dem, även om de hölls i veckor på bänken (Figur 1A). Han skulle slumpmässigt dra prover från stapeln av plattor för att se om något intressant hände under de senaste veckorna., Eftersom hans laboratorium var ganska primitivt skulle Fleming vanligtvis ha föroreningar på sina tallrikar, som ofta orsakades av jäst och mögel från miljön. Men en tallrik såg väldigt annorlunda ut, och när han märkte den plattan sa han famously ” det är roligt….”Plattan hade ympats med en tät bakteriekultur, men den var också förorenad med en mikroskopisk svamp som skapade en stor koloni på sidan av plattan. Vad som var ovanligt var att bakterierna inte kunde växa i området nära svampkolonin., Det fanns ett helt synligt område som omger svampen som var helt fri från bakterier. idag kallar vi detta en inhiberingszon (Figur 1b). Därför upptäckte Fleming att en svamp (Penicillium notatum) producerade något som dödade Staphylococcus aureus, en farlig patogen. Fleming hade just upptäckt ett antibiotikum, och i början kallade han denna ”mögeljuice”.
- Figur 1 – (A) Sir Alexander Fleming vid sin laboratoriebänk i London (1943).,
- (B) Fleming observerade att en koloni av en svamp (Penicillum notatum) förorenade en petriskål som ympades med S. aureus, en farlig bakteriell patogen. Intressant nog kunde S. aureus inte växa i området kring kolonin P. notatum. Fleming drog slutsatsen att svampen producerade något som dödade S. aureus i hämningszonen.,
vid den tiden trodde varken Fleming eller hans kollegor att denna upptäckt kunde ha någon verklig betydelse, och den faktiska betydelsen visades bara mer än ett decennium senare. Fleming hade dock just upptäckt den biologiska krigföring som finns mellan olika mikroorganismer som kämpar för rymden i en miljö rik på näringsämnen . Fleming skapade inte penicillin, han observerade att en koloni av en mikroskopisk svamp producerade penicillin som ett sätt att konkurrera med bakterier för näringsämnena på en nästan kasserad platta., Sedan dess har mikrobiologer sökt i naturen efter nya antibiotika, för att testa om andra mikroorganismer kan producera antibiotika, och detta tillvägagångssätt har varit mycket framgångsrikt. När ett nytt antimikrobiellt ämne har identifierats renas detta ämne och kan modifieras kemiskt för att göra det lättare att producera det nya antibiotikumet i stora mängder eller för att skapa nya versioner av det ursprungliga ämnet. Vi letar fortfarande efter nya antibiotika, och vem som helst kan vara en del av detta genom initiativ som ”Swab and Send” .
Hur fungerar Penicillin?,
sättet som penicillin verkar för att hämma bakterietillväxt var inte förstått förrän 1980. Nu vet vi att penicillin hämmar aktiviteten hos vissa enzymer i bakterier som kallas penicillinbindande proteiner( PBPs), vilket är viktigt för de flesta bakterier att skapa en vägg som täcker sina celler. Utan den väggen är bakterieceller mycket mer utsatta för miljön, och de kan dö mycket lätt när miljön förändras. I närvaro av penicillin kan bakterier inte producera denna cellvägg för att skydda sig, och de dör., Penicillin är en del av en familj av liknande antibiotika som kallas β-laktamer, och många bakterier blir resistenta mot β-laktamer antingen genom att producera enzymer som försämrar dessa antibiotika eller genom att förvärva modifierade versioner av PBPs som inte binder till penicillin längre .
motståndet ökar…
vad Fleming också förutspådde under sitt tal att acceptera Nobelpriset 1945 var att bakterier kan bli resistenta mot antibiotika. Detta händer bara på grund av utvecklingen, eftersom bakterier kan anpassa sig mycket snabbt för att övervinna eventuella hinder som begränsar deras tillväxt., De förändringar som hjälper bakterier att anpassa sig kan drivas av slumpmässiga mutationer i deras DNA, och processen är riktigt snabb—du kan nästan se detta händer i realtid! . Dessutom har många av de mikroorganismer som producerar antibiotika också gener som gör dem resistenta mot dessa antibiotika. Bakterier är mycket bra på att förvärva DNA från andra organismer, för att få nya förmågor. Detta kallas horisontell genöverföring . Om patogena bakterier förvärvar generna för att göra dem resistenta mot ett specifikt antibiotikum, blir det antibiotikumet värdelöst i kliniken., För att förhindra antibiotikaresistens bör antibiotika endast användas när det behövs (till exempel kan virus inte dödas av antibiotika, så de bör inte tas för virusinfektioner), rätt dos bör användas (eftersom för låg dos kan bidra till att skapa resistenta stammar), och vi bör ta antibiotika för hela tiden de ordineras, för att se till att döda alla bakterier som orsakar infektionen. Om vi inte vidtar dessa åtgärder kanske vi hjälper spridningen av antibiotikaresistens, och detta är ett stort problem., Faktum är att de farligaste bakteriepatogenerna blir resistenta mot många antibiotika . Läkemedelsföretag förlorar intresse för att utveckla nya antibiotika, eftersom dessa läkemedel kanske inte är lönsamma när antibiotikaresistens växer. Följaktligen är den hastighet med vilken nya antibiotika upptäcks inte tillräckligt snabb för att klara av framväxten av nya antibiotikaresistenta patogener. Vi kan snart gå tillbaka till en pre-antibiotisk era, där människor infekterade med bakterier inte kunde behandlas effektivt.,
slutsats
upptäckten av penicillin var endast möjlig i ett laboratorium där föroreningar var vanliga. Chance spelade verkligen en roll i upptäckten av det första antibiotikumet, men Flemings träning och laboratoriepraxis var avgörande för att han skulle identifiera en av de viktigaste drogerna i människans historia. Tyvärr, på grund av antibiotikaresistens, är mikrobiologer i en tävling med bakteriella patogener för att hitta nya sätt att behandla infektioner., Idag har vi en bättre förståelse för hur patogener interagerar med sina värdar, hur antimikrobiella medel fungerar och vad mekanismerna för antibiotikaresistens är. Men även 90 år efter upptäckten av penicillin finns det fortfarande mycket mer arbete som behövs för att bekämpa den nuvarande antibiotikakrisen. Du kan vara en del av detta genom att delta i swaben och skicka initiativ!
ordlista
patogen: en mikroorganism som invaderar kroppen och orsakar en infektion.
petriskål: ett glas-eller plastfat med lock som används för att odla levande celler.,
bakteriell koloni: grupp av bakterieceller som växer samman på ytan av ett fast medium som är synliga för blotta ögat.
Inhiberingszon: område som omger källan till ett antibiotikum där bakteriekolonier inte växer.
intressekonflikt
författaren förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.
Madigan, T. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., Sattley, W. M., och Stahl, D. A. 2018. Brock Biologi av mikroorganismer. 15: e Edn., Pearson.
brun, K. 2017. Penicillin Man, Alexander Fleming och Antibiotikarevolutionen. Cheltenham: Historikpressen.
Swab och skicka initiativ. Finns online på: https://www.lstmed.ac.uk/public-engagement/swab-send