SPORE NANOFIBER – når mikroskopiske fibre får stor betydning
Sporer er bakterienes overlevelseskapsler – små, men ekstremt robuste strukturer som gjør det mulig for bakteriene å tåle varme, kulde, tørke og selv sterke desinfeksjonsmidler i årevis. For matindustrien er dette en stor utfordring bakteriesporer kan overleve selv omfattende prosesseringsmetoder og skape problemer både for mattrygghet og produktkvalitet. Samtidig kan de også utgjøre en risiko i medisinske og forsvarsrelaterte sammenhenger.
I SPORE NANOFIBER-prosjektet undersøker vi nettopp disse sporene. Vår oppmerksomhet er rettet mot fibrene som dekker sporenes overflate – de såkalte ENA-fibrene (ENdospore Appendages). De er usynlige for det blotte øye, men under mikroskopet åpenbarer de seg som nanometer-tynne fibre som kan strekke seg flere mikrometer i lengde. Tross sin beskjedne størrelse har vi nå begynt å forstå at ENA-fibrene spiller en nøkkelrolle i sporedannende bakteriers evne til å overleve, tilpasse seg og spre seg i ulike miljøer.
Tidligere var bare én type kjent, S-ENA, som finnes hos alle arter i B. cereus-gruppen. Men da vi i 2023 startet en systematisk kartlegging ved hjelp av kryo-elektronmikroskopi, en metode som fryser fibrene i sin naturlige tilstand og lar oss studere dem i detalj, oppdaget vi noe helt nytt: to hittil ukjente typer ENA-fibre. Disse har vi kalt L-ENA (Ladder-like ENA) på grunn av sin stigeformede struktur og F-ENA (Fibrillar ENA) på grunn av sin tynne, trådaktige form.
Våre studier tyder på at både S-ENA og L-ENA fibrene spiller en sentral rolle i sporeaggregering – prosessen der sporer klumper seg sammen i tette klynger. Dette er særlig tydelig i sporer isolert fra pasienter, hvor L-ENA er mer fremtredende. Vi tror derfor at fibrene kan være viktige i infeksjonsprosesser og kanskje bidra til å forklare hvorfor noen varianter av B. cereus gir opphav til mer alvorlig sykdom enn andre.
For å forstå hvordan ENA-fibrene fungerer, har vi tatt i bruk flere avanserte teknikker. Med laserpinsetter kan vi manipulere enkeltfibre og observere hvordan de oppfører seg, mens vi ved hjelp av genteknologi kan lage mutantsporer der spesifikke fibre er fjernet eller endret. Slik har vi oppdaget at L-ENA-fibrene har en liten "tippfibrill" kalt L-BclA, som er avgjørende for at de skal kunne koble sporene sammen. Uten denne komponenten mister L-ENA-fibrene sin aggregerende evne. Overraskende nok fant vi at den samme L-BclA også finnes på S-ENA og F-ENA, noe som antyder at fibrene deler funksjoner på måter vi ikke tidligere har forstått.
Vi har også sett hvordan ENA-fibrene påvirker sporenes evne til å feste seg til ulike overflater. For matindustrien er dette høyst relevant, siden sporer kan sette seg fast på produksjonsutstyr og overleve rengjøring. Våre resultater viser at ENA-fibrene gir sporene et spesielt godt grep på materialer som polypropylen og rustfritt stål, begge svært vanlige i matproduksjonsmiljøer, mens de fester seg dårligere til glass og polystyren. Denne kunnskapen gir et nytt grunnlag for å utvikle smartere hygieneprotokoller og bedre materialvalg i matproduksjonen.
Prosjektet har allerede resultert i flere viktige gjennombrudd, fire publiserte vitenskapelige artikler og presentasjoner på flere nasjonale og internasjonale konferanser. Også næringsmiddelindustrien har vist stort interesse for funnene våre, noe som åpner for fremtidig samarbeid og bruk av kunnskapen i praktiske løsninger.
Nå retter vi oppmerksomheten mot ENA-fibrenes rolle i biofilmdannelse, en prosess der bakterier bygger beskyttende lag på overflater, noe som gjør dem enda vanskeligere å bekjempe. Samtidig forsøker vi å forstå hvordan fibrene settes sammen på sporeoverflaten under selve sporedannelsen, en prosess som aldri før har vært studert.
Gjennom SPORE NANOFIBER-prosjektet får vi dermed et unikt innblikk i hvordan bakteriesporer overlever, tilpasser seg og sprer seg. Dette er ikke bare grunnforskning – det har helt konkrete implikasjoner for mattrygghet, infeksjonsforebygging og kanskje også nye metoder for å hindre bakteriell kontaminering i fremtiden. Resultatene våre viser at vi er på god vei mot en bedre forståelse av en av matindustriens mest seiglivede utfordringer.
Bacillus cereus sensu lato (s.l.) is a large group of bacteria whose endospores are of food safety, industrial, medical and biodefense importance. Their endospores are decorated with multiple micrometres-long, a few nanometres wide fibers (endospore appendages (Enas)). The team behind this proposal has recently forced a major breakthrough by identifying the protein subunits that build the Enas and the genes encoding them. Notably, they represent a completely novel type of proteinaceous nanofibers, with unique structural properties and self-assembly mechanisms, that have never been described before. They are the third type of pili ever described in Gram-positive species and the first spore pili that have ever been structurally and genetically characterized.
We have so far identified two major structural types of Enas that are widely distributed among species belonging to the large B. cereus group of bacteria. The SPORE NANOFIBER will use state-of the art cryo-EM, lazer-tweezer technology, 3D-modelling, gene-knockouts, recombinant genes, various functional analyses and an insect larvae infection model to generate knowlede on Enas composition, 3D structure, assembly mechanisms and biophysiochemical and mechanical properties. We will examine the role of Enas in various spore-related functions such as colonization of abiotic surfaces and biofilm formation as well as in spore binding to intestinal mucosal surfaces of humans, animals and insect larvae. The Enas are also of high interest for bio-nanotechnology as they are highly flexible, exhibit an extreme heat-, chemical- and enzymatic resistance, and can be produced in large quantities in vitro. This project has a great potential to generate knowledge that can be used to invent more efficient strategies to prevent or reduce spore attachment-related problems in the food industry and in medicine. Altogether, the proposed project fits well with the call for proposal for “Project for Scientific Renewal”.
