Johan Biørnstad forsker på youghurt-bakterien S. thermophilus, og er PhD stipendiat hos Leiv Sigve Håvarstein i gruppen for Molekylær Mikrobiologi. Basert på naturlig genetisk transformasjon har gruppen utviklet et kraftig genetisk verktøy som kan brukes til å innføre nærmest enhver form for mutasjon i genomet til S. thermophilus. Dette gir nye muligheter med hensyn på å studere bakteriens metabolisme og fysiologi, og kan på sikt utvikle seg til et såkalt ”food grade” system for konstruksjon av nye og bedre starterkulturer.
Streptococcus thermophilus S. thermophilus brukes i produksjonen av yoghurt og enkelte oster av sveitisk eller italiensk-type. Disse produktene har en markedsverdi på ca. 300 milliarder kroner i året, noe som gjør S. thermophilus til en bakterie av stor økonomisk betydning.
Yoghurt har blitt produsert i mer enn 4500 år i Europa. Sannsynligvis begynte det hele med spontangjæring av melk som var blitt kontaminert med bl.a. S. thermophilus eller nært beslektede bakterier. I Frankrike brukte man tidlig yoghurt som en kur for diaré, men det var først på 1900-tallet at yoghurt ble industrialisert p.g.a. troen på dens helsemessige fordeler. Utover 1900-tallet ble det vanlig med smakstilsetning i yoghurt og salg til vanlige forbrukere.
Yoghurt produseres ved å la Lactobacillus bulgaricus og S. thermophilus vokse i melk under kontrollerte forhold. Bakteriene oksiderer melkesukkeret (laktosen) i melken til melkesyre som skilles ut som et avfallsprodukt. Den økte surheten hemmer veksten av mange potensielle patogener og gir en frisk smak. Andre fermenteringsprodukter bidrar også til smak og aroma. I tillegg er produksjonen av eksopolysakkarider viktig. Følgelig bidrar en rekke ulike fysiologiske og metabolske egenskaper hos S. thermophilus til kvaliteten på det ferdige produktet.
Næringsmiddelindustien forsøker stadig å utvikle bedre varianter av S. thermophilus som kan gi lavere produksjonskostnader eller produkter med nye og forbedrede egenskaper. Ved seleksjon av naturlige varianter, bestråling eller kjemisk mutagenese har det blitt utviklet stammer med gode egenskaper. I dag gir moderne biokjemiske og molekylærbiologiske metoder i kombinasjon med genomsekvensiering nye muligheter med hensyn på å forbedre eksisterende stammer. Det som hittil har manglet for S. thermophilus sitt vedkommende er et effektivt verktøy som kan brukes til genetisk manipulasjon av bakteriens genom.
Naturlig genetisk transformasjon Bakterier som er kompetente for naturlig genetisk transformasjon (ofte bare kalt naturlig kompetente) har muligheten til å ta opp nakent DNA fra omgivelsene og inkorporere dette i sitt eget genom vha. homolog rekombinasjon. Noen streptokokker har vist seg å ha denne egenskapen, men den er ikke påvist hos majoriteten av artene innen slekten Streptococcus.
Hos naturlig kompetente streptokokker er ikke evnen til å ta opp DNA en konstitutiv egenskap, men en transient tilstand som er regulert av et peptidferomon som er en del av en såkalt quorum-sensing mekansime. Hos S. thermophilus mangler denne quorum-sensing mekanismen, og det er ikke kjent hva slags reguleringsmekanisme som ”skrur på” den kompetente tilstanden hos denne bakteriearten. Tidligere har vi vist at overuttrykk av den alternative sigmafaktoren ComX induserer kompentase hos S. thermophilus LMG 18311, men mekanismen som kontrollerer spontaninduksjonen av naturlig kompetanse er fremdeles ukjent.
Systemet vi har laget for å gjøre S. thermophilus LMG18311 kompetent for naturlig transformasjon gjør det mulig å innføre spesifikke mutasjoner i bakteriens genom, deletere gener, og innføre nytt genetisk materiale. Dette gir helt nye muligheter med hensyn på å studere bakteriens metabolisme og fysiologi. Selv om dette systemet er perfekt for forskning, vil nye og forbedrede starterkulturer laget ved hjelp av denne metoden bli betraktet som GMO. Dette er ulogisk fordi regelverket på dette området tillater vilkårlige mutasjoner innført vha. stråling eller mutagene kjemikalier, men ikke tilsvarende mutasjoner som er innført med ”kirurgisk” presisjon ved for eksempel vår metode. Vi er derfor veldig interesserte i å finne ut hvordan S. thermophilus blir kompetent på en naturlig måte. Sagt med andre ord - hvordan reguleres transkripsjonen av ComX?
Mitt prosjekt Mitt prosjekt fokuserer på å identifisere proteiner som regulerer uttrykket og stabiliteten/turnover av ComX. Vi ønsker som sagt å kunne gjøre S. thermophilus kompetent uten å måtte overuttrykke ComX på ”kunstig” måte. Ved å identifisere mekanismen(e) som kontrollerer mengden av ComX i cellen, håper vi å finne fram til vekstbetingelser som induserer bakteriens naturlige evne til å ta opp ekstracellulært DNA. Mutanter som er laget på denne måten vil ikke bli karakterisert som GMO.
Min bakgrunn er en B.Sc. i Mikrobiologi fra Universitetet i Bristol, U.K., en M.Sc. i Molekylær Mikrobiologi fra UiO og jeg tar nå min Ph.D. i Molekylær Mikrobiologi ved IKBM. Dette gjør jeg pga min store interesse i bakterier og de mulighetene molekylærbiologiske metoder gir forskning. Jeg ser frem til spennende tider i 2009 og håper på å avslutte min grad i 2010, men ser ikke på dette som siste stopp mht. forskning.
