Östersjöns dolda majoritet

Vi är vana att se på bakterier och andra mikroorganismer som något ont, inte minst när de finns i sjöar och hav. ”Törs man verkligen bada här, det vimlar säkert av bakterier i vattnet?” Det gör det definitivt. Faktum är att en vattendroppe kan innehålla mer än 50 000 bakterier. Och visst finns det mikroorganismer som är farliga, men vi är samtidigt helt beroende av dem.

– Mikroorganismerna driver alla de stora näringscyklerna, som kväve, fosfor och kol, så utan dem skulle det inte finnas något liv i världshaven, säger Birgitta Bergman, professor i växtfysiologi vid Stockholms universitet.

Trots att mikroorganismerna är en förutsättning för djur och växters existens, så är kunskapen om dem bristfällig. Ungefär 15 000 arter av bakterier har namngivits, men dessa utgör sannolikt en droppe i havet av alla existerande bakteriearter och andra mikroorganismer. Det kan röra sig om en miljon, kanske en miljard eller ännu fler.

Mindre än en procent av bakteriesorterna kan odlas i labb. Det är en av orsakerna till kunskapsbristen – om det inte går att odla dem så går det inte heller att studera dem. Men tack vare modern dna-teknik finns det nu helt nya metoder för att undersöka mikroorganismernas mångfald och funktioner.

Birgitta Bergman är en av grundarna av forskningsprojektet Microbial metagenomics of the Baltic Sea, ett projekt som med hjälp av modern dna-teknik utforskar mikroorganismerna i Östersjön.

– När vi påbörjade projektet fanns det ett svart hål av kunskapsbrist; man visste nästan ingenting om Östersjöns mikroorganismer. De enda som hade studerats i detalj tidigare var de blommande cyanobakterierna, säger Birgitta Bergman.

En oväntad upptäckt från projektet är att artrikedomen bland Östersjöns mikroorganismer är ovanligt stor. Faktum är att den är större än i närliggande havsområden. Dessutom hittar man olika sorters mikroorgansimser i olika delar av Östersjön. Det beror på att mikroorganismernas livsbetingelser varierar på förhållandevis korta geografiska avstånd.

Östersjön har en konstant tillströmning av sötvatten från de stora älvarna i norr. I den södra delen sker ett mer sporadiskt inflöde av saltvatten via de danska sunden. Detta skapar en skillnad i salthalt – vattnet går från att vara sött i norr till att bli allt saltare söderut. Även temperaturen och näringstillgången skiljer sig åt i Östersjöns olika delar – det är exempelvis kallare och näringsfattigare i Bottenviken än i egentliga Östersjön. Analyserna visar att dessa faktorer i hög grad påverkar utbredningen av olika slags mikroorganismer i Östersjön.

I Östersjöns södra delar hittar man många arter av så kallade proteobakterier, en grupp som är vanlig i de salta världshaven. I Östersjöns norra delar dominerar de så kallade aktinobakterierna, som trivs i sötvatten. Bland de större mikroorganismerna med fotosyntes – växtplankton – finner man ett stort antal guldalger och ögondjur, framför allt i Östersjöns norra och mellersta delar.

En annan grupp av mikroorganismer med fotosyntes är cyanobakterierna. Deras utbredning styrs främst av näringstillgången i vattnet. Cyanobakterierna utgör vanligtvis 5–10 procent av alla mikroorganismer i Östersjön, men under varma sommarmånader sker en stark tillväxt och man får de beryktade blomningarna. Under dessa perioder utgör cyanobakterierna en betydande andel av det mikrobiella samhället.

– Östersjön betraktas som ett artfattigt ekosystem. Det beror på att få fiskar och växter klarar av att leva i bräckt vatten. Därför var det förvånande att upptäcka att bakterierna var så artrika, vilket visar på vilken enorm anpassningsförmåga de har, säger Birgitta Bergman.

En tänkbar förklaring till denna goda anpassningsförmåga är att Östersjöns bakterier har ovanligt många ”hoppande gener”. Det är dna-fragment som kan flytta runt i genomen. Man vet sedan tidigare att de hoppande generna aktiveras när miljön förändras eller när bakterierna utsätts för ogynnsamma förhållanden.

– En teori är att de hoppande generna skapar genetisk variation. De kan alltså ge upphov till nya egenskaper hos organismerna. Det kan vara en fördel i en föränderlig miljö, som i Östersjön, säger Martin Ekman vid SciLifeLab vid Stockholms universitet, en av forskarna som ansvarar för projektet om mikroorganismerna i Östersjön.

En annan tänkbar förklaring till det stora antalet hoppande gener är att de gynnas av att det finns så mycket partiklar i Östersjöns vatten. Partiklarna är ofta täckta av ett lager av bakterier, så kallad biofilm. Det är en perfekt miljö för rörliga gener; den underlättar för dessa att överföras från en bakterie till en annan.

Eftersom de hoppande generna aktiveras vid förändringar, kan de erbjuda en ny metod för att upptäcka miljöstörningar eller utsläpp av miljögifter. En fördel är att de hoppande generna reagerar på både kända och okända hot, vilket skulle kunna underlätta miljöövervakningen.

Den amerikanska forskaren Craig Venter har varit en nyckelperson vid kartläggningen av Östersjöns mikroorganismer. Han ingick i det forskarteam som blev först i världen med att kartlägga människans hela arvsmassa, genomet.

– När han var klar med det mänskliga genomet, började han fundera på vad han kunde göra mer med all sin utrustning och kom på att han kunde kartlägga genomen på mikroorganismerna i haven. Det hade ingen gjort tidigare, säger Birgitta Bergman.

En av metoderna som används i projektet kallas metagenomik. I korthet går den ut på att utvinna det dna som finns i alla mikroorganismer i ett vattenprov. Resultatet blir en stor mängd dna-fragment av olika längd. Dessa fragment pusslas sedan samman och jämförs med databaser där kända mikroorganismers dna finns. På så sätt får man en bild av vilka organismer som finns i provet och även vilka möjliga funktioner och egenskaper bakterierna har.

Metoder som metagenomik kan generera enorma mängder data ur ett enda vattenprov. Det medför att det vetenskapliga förfarandet blir lite speciellt. Man kan säga att metagenomiken ger alla svar först – frågorna kommer när man börjar analysera det omfattande materialet.

– För detta behövs smarta unga forskare som är intresserade av komplicerade algoritmer och statistik, säger Birgitta Bergman.

Hon syftar till exempel på Martin Ekman och Karolina Ininbergs, båda verksamma vid SciLifeLab och i dag huvudansvariga för projektet som analyserar mikroorganismerna i Östersjön. Förutom metagenomik har forskarna använt en annan metod där man kan se vilka slags gener som är aktiva hos mikroorganismerna och därmed kartlägga vilka gener som reagerar på en viss sorts miljöförändring, exempelvis brist på ett näringsämne.

– De här metoderna har verkligen revolutionerat den marina mikrobiologin, säger Karolina Ininbergs.

Cyanobakteriernas blomningar brukar sprida fasa hos badande semesterfirare. När blomningarna är som störst kan halva ytan av Östersjöns mellersta och sydliga delar vara täckt av en illaluktande algsoppa. Det här fenomenet är enligt Birgitta Bergman fullständigt naturligt.

– Cyanobakterierna har alltid blommat i Östersjön och de blommar lika mycket i världshaven. Men det sker ofta ute till havs där vi inte ser det, säger Birgitta Bergman.

Hennes inställning till blomningarna skiljer sig ganska kraftigt från gemene mans.

– Jag ser cyanobakteriernas blomningar som stora näringsrika gröna ängar, och när blomningarna kollapsar kan de liknas vid enorma gödselhögar fulla av näringsämnen som släpps ut och kommer resten av ekosystemet till godo. Så utan cyanobakterierna skulle Östersjöns övriga organismer inte frodas, säger hon.

Syrefria bottnar är ett av Östersjöns många miljöproblem. Det näringsrika vattnet är en perfekt grogrund för mikroorganismer, och när de dör faller de till botten där de bryts ner av bakterier, en process som kräver syre. Ju större nedbrytning, desto syrefattigare bottenmiljö.

Cyanobakteriernas blomningar är visserligen ett naturligt fenomen, men de har ökat till följd av övergödningen av Östersjön. När blomningarna kollapsar faller enorma mängder organiskt material till botten på en förhållandevis kort tid, och det kan öka problemen med låga syrenivåer i bottenmiljön.

Bakterier brukar betraktas som odödliga. Därför är blomningsdöden ett stort mysterium. Forskarna försöker hitta förklaringar till fenomenet.

Hos flercelliga organismer – människan inräknad – finns en mekanism som kallas programmerad celldöd. Den är en livsviktig process under bland annat fosterutvecklingen. Genom att utvalda celler dör kan exempelvis de individuella fingrarna bildas ur den cellklump som är handens ursprung under utvecklingen.

Man har nyligen upptäckt att programmerad celldöd även förekommer hos mikroorganismer. En teori är att programmerad celldöd triggas av näringsbrist, vilket leder till att merparten av bestånden begår ”kollektivt självmord” för att öka arternas överlevnadschanser.

Det finns speciella enzymer som är förknippade med programmerad celldöd. Nu vill forskarna ta reda på om sådana enzymer styr programmerad celldöd hos de blommande cyanobakterierna i Östersjön.

Forskarnas undersökningar visar att en av de vanligaste blommande cyanobakterierna, Nodularia, har flera kopior av en gen som kodar för dessa enzymer. De olika genkopiorna aktiveras under olika perioder av sommaren, så varje genkopia verkar ha en speciell funktion i processen. Vissa gener är dessutom mer aktiva än andra, vilket visar att de är speciellt viktiga för cyanobakterierna. För forskarna återstår nu att med hjälp av experiment visa att dessa gener är som mest aktiva vid blomningskollapsen.

– Kollapsen och programmerad celldöd kan äga rum inom loppet av några timmar eller något dygn. Så därför måste vi försöka följa processen i detalj med fältförsök, säger Karolina Ininbergs.

Bakterier kan bli infekterade och dödade av virus. Forskarna har därför undersökt om virusangrepp bidrar till den snabba blomningskollapsen hos cyanobakterierna. De upptäckte att under 2011 ökade virusmängden kraftigt mot slutet av sommaren.

– Virusmängden nådde sin topp strax efter det att blomningen hade upphört, så det är möjligt att virus bidrog till kollapsen, säger Karolina Ininbergs.

Forskarna har undersökt aktiviteten hos en gen som är involverad i bakteriers försvar mot virus. Genen visades vara vanligt förekommande hos cyanobakterierna i Östersjön. Under 2012, då virusmängden var förhållandevis låg i Östersjön, var denna gen relativt inaktiv.

Både programmerad celldöd och virusangrepp tycks alltså bidra till den snabba blomningskollapsen hos cyanobakterierna.

Att det finns mycket virus i Östersjön var ingen överraskning för forskarna.

– Det brukar finnas tio gånger mer virus än bakterier i haven, säger Karolina Ininbergs.

Men en oväntad upptäckt var att andelen sjukdomsalstrande virus är ovanligt hög i Östersjön. Man fann exempelvis det slags virus som kallas Nodaviridae och som orsakar sjukdomen ”viral nervös nekros” hos fiskar. Den skadar nervsystemet och drabbade fiskar får svårt att koordinera sina rörelser. Den här sjukdomen är utbredd i Asien och finns även i Europa, men har inte påträffats tidigare i Östersjön.

Forskarna fann även virus av typen Iridoviridae som orsakar flera fisksjukdomar. En av dessa är viral erythrocytisk nekros som leder till massdöd av sill och som även drabbar torsk och lax.

Östersjöns vatten innehåller också virus som kan angripa människor, som hepatit B, coronavirus som orsakar förkylning samt norovirus som kan ge kräksjuka.

Forskarna vet inte om de höga virushalterna är normalt för Östersjön eller om det är en effekt av miljöförändringar som övergödning och stigande temperaturer.

– Det här kan vara en trend som vi inte har sett effekterna av än. Det kan vara så att om miljöförändringarna fortsätter så blir fiskarna ännu sjukare i framtiden, säger Martin Ekman.

Ett miljöproblem som fått stor uppmärksamhet är den mystiska fågeldöd som härjar i Östersjöregionen. Fåglarna drabbas av förlamning, och forskarna misstänker att det är brist på B-vitaminet tiamin som orsakar förloppet. Även vissa fiskbestånd tycks ha drabbats av tiaminbrist.

Bakterierna är viktiga vitaminproducenter, och eftersom de befinner sig i botten av näringskedjorna så sprids dessa vitaminer till övriga organismer, enligt principen ”stor äter liten”. Den generella bristen på tiamin hos fåglar och fiskar skulle alltså kunna bero på att bakteriernas vitamintillverkning har förändrats. Forskarna har därför undersökt förekomsten av gener och genaktivitet som är kopplad till vitaminproduktionen hos Östersjöns bakterier.

Bakterierna utgör cirka 80 procent av alla plankton i Östersjön. Ungefär 40 procent av alla dessa bakterier kan producera vitaminet tiamin. Cyanobakterierna utgör en fjärdedel av denna grupp, en förhållandevis stor andel.

– När vi analyserar aktiviteten hos tiamin-generna så tycks cyanobakteriernas gener dominera. De verkar stå för åtminstone hälften av all genaktivitet, säger Martin Ekman.

Dessa resultat tyder på att cyanobakterier är viktiga producenter av tiamin i Östersjön.

– Nu vet vi ungefär hur många av Östersjöns bakterier som kan producera vitaminerna, men den stora frågan är om det fanns fler tidigare, då vitaminbrist inte var ett sådant stort problem för fiskarna och fåglarna, säger Birgitta Bergman.

Växtplankton, inbegripet cyanobakterier, utgör basen i Östersjöns näringsväv. Det beror på att de får den energi de behöver direkt från solen via sin fotosyntes, medan övriga organismer är beroende av att direkt eller indirekt få sin energi från den här sortens organismer. Därför har forskarteamet ägnat mycket tid åt att undersöka hur Östersjöns plankton samlar in ljusenergi.

Riktigt små cyanobakterier, pikocyanobakterier, tillhör de vanligaste encelliga organismerna i haven. Den allra vanligaste sorten i världshaven kallas Prochlorococcus. En oväntad upptäckt som forskarna gjort är att denna minibakterie saknas i Östersjön. I stället dominerar en tidigare okänd pikocyanobakterie som tillhör ett annat släkte. Den är mycket vanlig i Östersjön, till och med vanligare än de större arterna som orsakar blomningarna.

Den nyupptäckta minibakterien har en unik sammansättning av färgpigment för insamling av ljusenergi från solen. Forskarna tror att detta är en evolutionär anpassning till de speciella ljusförhållanden som råder i Östersjön, som i sin tur orsakas av det grumliga vattnet med sin speciella varierade salthalt.

– En annan teori vi har är att den speciella cyanobakterien kan ändra sin pigmentering beroende på var i Östersjön den befinner sig, säger Martin Ekman.

Vissa bakterier som inte har fotosyntes kan ändå fånga in solenergi. Det sker med hjälp av ett speciellt färgpigment. Energimängden som fångas in är lägre än den som fotosyntesen ger, men utgör ändå ett värdefullt energitillskott till dessa bakterier.

Forskarna fann att bland de minsta frilevande bakterierna – som är mycket vanliga i Östersjön – har närmare 50 procent gener för färgpigmentet och att bakteriernas antal följer den varierade salthalten i vattnet – de blir fler ju längre söderut man mäter. Detta gäller dock inte de bakterier som sitter fast på partiklarna i vattnet.

– Partiklarna består av organiskt material så bakterierna som lever på partiklarna har sannolikt all näring och energi de behöver, säger Martin Ekman.

Men det är inte bara bakterier som har gener för färgpigmentet. Forskarna har också hittat virus som bär på sådana här gener. Det är märkligt eftersom virus inte är beroende av solenergi. Det har föreslagits att dessa virus kan överföra färgpigment-systemet till de bakterier de infekterar. Det skulle kunna medföra att bakterierna blir livskraftigare, vilket i sin tur skulle gynna virusen inuti bakterien.

Men Martin Ekman är inte övertygad. Det speciella färgpigment som överförs från virus till bakterier verkar inte ha med energiinfångning att göra, utan förändrar snarare bakteriens beteende på något ännu okänt sätt, menar han.

– En teori är att värdorganismen modifieras så att den förflyttar sig mot mer näringsrika miljöer, vilket skulle gynna virusets förökning, säger Martin Ekman.

Antibiotikaresistens är ett växande hälsoproblem som till viss del beror på spridning av antibiotika från sjukhus och djurhållningsindustrin. Forskarnas analyser visar att gener för antibiotikaresistens finns i Östersjöns mikroorganismer. Det handlar främst om gener med förmågan att bryta ner en av byggstenarna i penicillin kallad betalaktam.

Men mängden gener för antibiotikaresistens är inte högre i Östersjön än i svenska insjöar. Den är inte heller högre än i Indiska oceanen och Sargassohavet, två miljöer som betraktas som relativt opåverkade av mänsklig aktivitet. Det tyder på att antibiotikaresistensen bland Östersjöns mikroorganismer än så länge är opåverkad av överanvändningen av antibiotika.

Cyanobakterierna verkar vara både en välsignelse och en förbannelse för Östersjön. De binder kol samt producerar syre och vitaminer som många andra organismer kan utnyttja. Men de bidrar också till problemen med syrefria bottnar. Och så kan de producera gifter, toxiner. Vad dessa används till är trots omfattande forskning fortfarande oklart.

– Det har föreslagits att bakterierna använder toxinerna för att slå ut konkurrerade bakterier, men en annan teori är att de fungerar som signaler, säger Birgitta Bergman.

Cyanobakteriernas toxiner är i de flesta fall ofarliga för oss. Det beror helt enkelt på att vi inte får dem i oss. Men det finns undantag. Ett exempel är ett ämne som kallas BMAA.

– Till skillnad från de flesta andra toxiner som cyanobakterierna producerar, kan vi få i oss BMAA då det går upp i näringskedjan och hamnar i fisk och skaldjur som vi äter, säger Birgitta Bergman.

En teori är att det finns ett samband mellan BMAA och neurodegenerativa sjukdomar hos människan, det vill säga sjukdomar som bryter ner nervceller, som parkinson, alzheimer och ALS. Man vet att BMAA är en aminosyra, men dess roll i cellerna är till stor del okänd.

– Man vet att ungefär tio procent av sjukdomsfallen kan härledas till arv, men vilka faktorer som utgör de resterande nittio procenten har man ingen aning om. Därför är det ytterst viktigt att ta reda på om BMMA från Östersjöns fiskar och skaldjur bidrar till sjukdomarna, säger Birgitta Bergman.

Hon berättar att forskare på Karolinska universitetssjukhuset är inkopplade och att man har börjat leta efter BMAA hos personer med sjukdomen ALS. Av tolv undersökta ALS-patienter hade en BMAA i nervsystemet.

– Det kanske låter som lite, men man måste ju också ställa sig frågan: Varför har den här patienten BMMA i nervsystemet över huvud taget?

Forskarna ansöker nu om medel för en stor studie som ska innefatta 150 ALS-patienter.

Det är lätt att få intrycket att Östersjön vimlar av livsfarliga, sjukdomsspridande virus och bakterier. Men så är det inte.

– Den absoluta majoriteten av mikroorganismerna är godartade och absolut nödvändiga, så vi måste vara ytterst rädda om dem, säger Birgitta Bergman.

En jakt efter gener i vattnet

För att erhålla ett vattenprov för analys av de mikroorganismer som finns i hav och sjöar måste man filtrera 50–200 liter vatten. Själva filtret fryses ner till – 80 grader tillsammans med en buffert som förhindrar att dna i mikroberna bryts ner. Detta prov fraktas till labb där allt dna i provet utvinns. Sedan följer ett moment som kallas preparering av dna-bibliotek, som innebär att dna-fragmenten utrustas med markörer. Efter detta börjar sekvenseringen, det vill säga avläsningen av den genetiska koden i fragmenten. Efter sekvenseringen sker omfattande analyser för att pussla ihop de korta dna-sekvenserna. Genom att jämföra med kända redan sekvenserade genom avgör man vilka gener och arter som de olika sekvenserna representerar. I detta steg är det alltid en stor del av sekvenserna som förblir okända, eftersom det saknas referensmaterial.

Mikroorganismer

Mikroorganismer är ett samlingsnamn för alla organismer som har en celldiameter på mindre än 0,2 millimeter. Det innefattar virus, bakterier, arkéer, mikroalger, mikroskopiskt djurplankton, protister och fungi. Mikroorganismerna utgör basen i näringskedjorna och innehåller lika mycket näring i form av kol, kväve och fosfor som all växtlighet på jorden.