Avfallsvatten och komposter är miljöer där mikrober stortrivs, och en potentiell källa för nya antibiotika och andra antimikrobiella substanser. Forskare vid Åbo Akademi är involverade i ett projekt som undersöker potentialen.
Text: Nicklas Hägen
SÅ KALLAD antimikrobiell resistens involverar förutom bakteriers resistens mot antibiotika också virus, svampars och parasiters resistens mot andra antimikrobiella läkemedel och rengöringsmedel. Den beräknas årligen kosta 25 000 liv och 1,5 miljarder euro bara i Europa.
Många bakterier slår sig samman i kolonier och bildar så kallade biofilmer, som kan vara resistenta och mycket svåra att bli av med. Biofilmer ligger bakom till exempel sjukhusbakterier och kroniska sår på människor, men de kan också fästa sig på olika material. De är ett stort problem till exempel i rengöringen av sjukhusinstrument, och inom skogsindustrin, där de förorsakar servicestopp och därigenom ekonomiska förluster.
– Problemet med biofilmer är att de är tusen gånger mera resistenta mot antibiotika än enskilda bakterier är. Därför behöver mera effektiva, nya typer av antibiotika, men också andra antimikrobiella substanser utvecklas, säger Jouko Peltonen, professor i fysikalisk kemi vid Åbo Akademi.
Jawad Sarfraz, forskardoktor i Peltonens forskargrupp, tillägger:
– När bakterier bildar biofilmer utvecklar de polymera substanser runt cellerna som skydd. Det här gör dem svåra att komma åt och mera resistenta mot vad man än vill använda för att döda dem, säger Sarfraz.
Går inte att odla i laboratorium
Endast två nya grupper av antibiotika har kommit ut på marknaden under de senaste 30 åren, och läkemedelsföretagen har mer eller mindre övergett utvecklingen av dem till akademikerna. Peltonen och Sarfraz är involverade i projektet Transforming Waste into New Antibiotics, TWIN-A, som nyligen beviljats finansiering för de kommande fyra åren inom Finlands Akademis program BioFuture2025.
Inom projektet utvecklas nya, mot biofilm verksamma antibiotika och antimikrobiella substanser ur avfall – i huvudsak avfallsvatten, men också komposter. I dessa miljöer pågår hela tiden en intensiv kamp mellan olika mikroorganismer. För att skydda sig och växa skapar vissa bakterier biofilmer, medan andra organismer – andra bakterier, virus, parasiter och svampar – försöker motverka dem genom att skapa antibiotika.
Genom att studera processerna hoppas forskarna att de ur avfallet ska kunna identifiera, isolera och syntetiskt framställa kopior av de antibiotika som utvecklas av biofilmernas naturliga fiender. I samma veva hoppas man kunna hitta också andra antimikrobiella substanser som kan utvecklas till produkter.
– När stora mängder antibiotika används på till exempel människor, boskap och fiskar, börjar de i något skede ackumuleras och slutar vara effektiva. Det är en anledning att utveckla nya antibiotika. Och när man gör det, varför inte gå till naturen och se vad den skapar för att upprätthålla livet, säger Peltonen.
Det går inte att odla dessa mikrobiella miljöer i ett laboratorium. Därför behöver man undersöka avfallet på plats, för att i förlängningen förhoppningsvis på kemisk väg kunna framställa antibiotikan som skapas här.
– Olika bakterier skapar biofilmer och föder nya antibiotika, det är så som naturen fungerar. Problemet är att dessa inte kan kultiveras, så det går inte att skapa dessa miljöer konstgjort. Däremot går de att syntetisera, men för att veta hur den syntetiska antibiotikan ska se ut behöver vi veta vilken struktur den behöver ha. Därför vill vi nu se i avfallet och se vad som händer där, vad som skapas och vilka antibiotika där utvecklas, säger Peltonen.
Inte lätt att analysera avfall
Att undersöka avfallsvatten och komposter där de finns medför sina egna utmaningar, och är därför en metod med en stor potential som sällan utnyttjas. Åbo Akademis bidrag i projektet är ett snabbt sätt att analysera avfallet, för att kunna identifiera olika bakterier och bakteriestammar. Detta görs genom att utveckla printbara sensorer.
– Sensorerna är kostnadseffektiva och kan printas i stora mängder, så det är lätt att sprida dem i många olika avfallskällor. Det spelar ingen roll om vi har en, fem eller tio sensorer – vi kan ha tusentals av dem och kostnaden är inget problem, säger Peltonen.
De sensorer som nu utvecklas bygger vidare på det arbete som gjorts inom FunMat – Center for Functional Materials, som varit Åbo Akademis interna spetsenhet 2006–2008 och på nytt sedan 2015, samt Finlands Akademis spetsenhet 2008–2013.
För sin doktorsavhandling inom FunMat utvecklade Sarfraz printbara sensorer för att upptäcka när olika gaser och biomolekyler bildas i varierande miljöer, till exempel i mat eller gruvor. Sensorerna är mycket känsliga och kan registrera också väldigt små mängder gas.
För det nuvarande projektet kommer två sorters sensorer att vidareutvecklas och förändras för ändamålet. Den första typens sensorer kommer att bygga på färgskalor som består av en samling olika färgämnesmolekyler som reagerar på förändringar i omgivningen.
Arbetet inleds med att utveckla ett substrat, det vill säga ett underlag eller en näringssubstans där biofilmer kan växa. För att göra detta behöver man identifiera vilka fysikaliska och kemiska egenskaper substratet behöver, till exempel ytans strävhet, polaritet, surhetsgrad och styvhet.
– Vi utvecklar först substrat, där vi kan odla bakterier som skapar biofilmer. Sedan utvecklar vi sensorer för att spåra vilka klasser och stammar av bakterier som är närvarande, säger Safraz.
Den andra typens sensorer kommer att vara konstruerade så att deras förmåga att leda elektricitet förändras när antibiotika eller antimikrobiella substanser som kan förstöra biofilm kommer i kontakt med dem. Detta får i sin tur färgämnesmolekylerna att reagera.
Storleken i förändringarna i resistansen och elektriska kapaciteten beror på hur effektivt substanserna angriper biofilmen, och därför är tanken att substansernas effekt ska gå att avläsa bara genom att titta på färgkartan.
– De sensorer vi ska utveckla avläser de facto inte själva bakterierna, utan produkter av bakteriernas metabolism. När bakterier börjar gro konsumerar de ämnen och frigör ämnen, så vi tittar på det som frigörs, alltså molekyler som är mycket specifika för olika bakterier och bakteriestammar, säger Sarfraz.
– När bakterien frigör olika föreningar kommer färgämnessensorerna att reagera, och vi får fingeravtryckssignaler som är specifika för de enskilda bakteriestammarna.
Vanligtvis när man försöker upptäcka bakterier bygger man teknologin på analys av interaktioner mellan bakterien och dess antigener eller antikroppar, vilket är mycket dyrt att göra.
– Våra sensorer är ett verktyg för snabb screening som är mycket billigt och mycket noggrant. När olika ämnen identifierats, arbetar sedan våra samarbetspartners vid Helsingfors universitet vidare med utvecklingen av kemiska föreningar för att förstöra biofilmen, säger Sarfraz.
Man kommer att kunna skriva ut flera stycken sensormatriser på en A4, vilket ger en indikation på storleken på dem.
– Vi kommer att använda bläckstråleskrivare, som är ett väldigt bra verktyg för det här. För det behöver vi först utveckla bläcket – optimera ytspänning, viskositet och partikelstorlek för färgämnena, säger Sarfraz.
– Förutom det ska vi inom projektet också utveckla elektrisk avläsning, genom att använda sensorområden vars resistens varierar med omgivningens kemiska struktur. De här baserar sig på metalloxider och sulfider.
En lång utveckling
I sin helhet är projektet fyra år långt, av vilka Åbo Akademi är involverat under de tre första åren. I dess nuvarande skede handlar det om grundforskning, men förhoppningen är att man ska få resultat man kan erhålla annan finansiering för att vidareutveckla det man har hittat.
– Hela projektets mål är att skapa bibliotek av de nya produkterna. Det finns också förstås en utbildningseffekt, vi utbildar ny expertis för området, säger Peltonen.
– Det är olyckligt att rätt många farmaceutiska företag av någon orsak har övergett utvecklingen av ny antibiotika. Det tyder på att det är utmanande att göra. Det tar alltid länge att utveckla en ny antibiotika.
Utvecklingen av sensorer för att upptäcka nya antibiotika lutar sig på ett av Finlands Akademi finansierat bakgrundsprojekt som heter Fabricating bacterial biofilms via artificial nano(bio)components, ArtFilm, som pågått vid laboratorierna för fysikalisk kemi och pappersförädling vid Åbo Akademi sedan 2015.
– Där lärde vi oss vilka slags ytor biofilmer särskilt gillar att bygga på. Nu kan vi bygga biofilmer på ytorna, och där har vi en sensor som vi kan föra till den verkliga avfallsmiljön, säger Jouko Peltonen, professor i fysikalisk kemi vid Åbo Akademi.
Två andra närbesläktade projekt är ICT sensor solutions for reliable detection of volatile gases from biogenic sources, finansierat av Finlands Akademi 2015–2016, samt Packaging 2020, som finansierats av Europeiska regionala utvecklingsfonden ERUF sedan 2014. Inom dessa har forskargrupperna bland annat utvecklat printbara sensorer som avläser om maten håller på att bli dålig.
– Vi kunde visa att till exempel kyckling ännu var fullt ätbar mer än femtio timmar efter bäst före-datumet gått ut. Den var alltså användbar mer än två dygn efteråt, sedan började det produceras gaser som ett tecken på att förruttnelseprocesserna har börjat, säger Peltonen.
– Vi skulle slänga betydligt mindre mat om vi hade intelligenta sensorer på förpackningarna, det skulle spara massor. Orsaken till att förpackningar med sensorer inte finns i affären ännu beror i första hand på lagstiftningen, att ingen tvingar in de här i användning ännu. Frågan är vem i värdekedjan som är dels villig och dels styr över att sensorerna tas i bruk.
Kostnaderna är enligt Peltonen inte en begränsande faktor.
– Sensorerna kan produceras mycket kostnadseffektivt, det är därför vi har utvecklat utskriftsmetoderna. De är dessutom lätta att skala upp.