Bakterier

Bakterier er encellede prokaryote mikroorganismer som finnes i alle miljøer på jorden, inkludert i og på menneskekroppen. Hos mennesker forekommer bakterier både som en del av normalfloraen og som årsak til infeksjon. Ulike bakteriearter har betydelige forskjeller i struktur, genetisk oppbygning, metabolisme og evne til å samhandle med verten, noe som gir ulik koloniseringsevne og ulikt sykdomspotensial.

Bakteriecellen mangler kjernemembran og membranbundne organeller. Det genetiske materialet foreligger som et sirkulært, dobbelttrådet DNA-molekyl lokalisert i nukleoiden. Transkripsjon og translasjon kan foregå samtidig. Disse egenskapene skiller bakterier fra eukaryote celler og påvirker bakteriens fysiologi, vekst og tilpasning.

Infeksjon oppstår når bakterier etablerer seg på eller i verten og forårsaker vevsskade eller utløser en immunrespons. Utfallet av eksponering for bakterier påvirkes av bakteriens egenskaper, mengden bakterier, vertens forsvarsmekanismer og miljøforhold.

Hva er bakterier?

Bakterier er encellede mikroorganismer som tilhører gruppen prokaryoter. De mangler kjernemembran og membranbundne organeller, og deres genetiske materiale ligger fritt i cytoplasma. Bakterier reproduserer ved binær fisjon og kan formere seg raskt under gunstige forhold.

Størrelsen på bakterier varierer vanligvis fra omtrent 0,5 til 5 µm. De forekommer i ulike former, blant annet som kokker (runde), staver (baciller) og spiralformede bakterier. Morfologi og delingsmønster er stabile egenskaper som brukes i klassifisering og diagnostikk.

Bakterier har stor metabolsk variasjon. Noen kan vokse i nærvær av oksygen, andre bare i fravær av oksygen, og enkelte krever spesifikke nærings- eller miljøbetingelser. Denne variasjonen gjør at bakterier kan overleve i svært ulike økologiske nisjer, inkludert ekstreme miljøer.

Hos mennesker forekommer bakterier både som del av normalfloraen og som patogene mikroorganismer. Normalfloraen består av bakterier som koloniserer hud og slimhinner uten å forårsake sykdom, mens patogene bakterier kan gi infeksjon dersom de får adgang til vev eller blodbanen og overkommer vertens forsvarsmekanismer.

Prokaryot og eukaryot celle

Bakterier tilhører gruppen prokaryoter og skiller seg fra eukaryote celler ved fravær av kjernemembran og membranbundne organeller. Det genetiske materialet er ikke avgrenset av en kjerne, men ligger samlet i et område kalt nukleoid. Dette gir en annen romlig organisering av genetisk materiale enn i eukaryote celler.

Prokaryote celler mangler mitokondrier, endoplasmatisk retikulum, Golgiapparat og lysosomer. Funksjoner som energiproduksjon, proteinsyntese og lipidmetabolisme foregår derfor i cytoplasma og i cytoplasmamembranen. Ribosomene i bakterier er mindre enn eukaryote ribosomer og består av 30S- og 50S-underenheter som til sammen danner et 70S-ribosom.

Transkripsjon og translasjon kan foregå samtidig i bakterier fordi mRNA ikke må transporteres ut av en kjerne før proteinsyntese. Dette gir rask respons på endringer i miljøet og bidrar til effektiv regulering av genuttrykk. Hos eukaryote celler er disse prosessene romlig og tidsmessig adskilt.

Celledeling hos bakterier skjer ved binær fisjon og krever ikke mitose eller meiose. Replikasjon av DNA, dannelse av septum og deling av cellen skjer koordinert, men uten spindelapparat eller kromosomsegregering slik det ses hos eukaryote celler.

Forskjellene mellom prokaryote og eukaryote celler har betydning for bakteriens fysiologi, veksthastighet og følsomhet for antimikrobielle midler, ettersom mange antibiotika utnytter strukturer eller prosesser som er unike for bakterier.

Bakteriens oppbygning

Bakterier har en relativt enkel, men funksjonelt effektiv celleoppbygning. Selv om strukturen varierer mellom ulike bakteriearter, finnes det flere fellestrekk som er karakteristiske for de fleste bakterier.

Den sentrale delen av bakteriecellen består av cytoplasma, som inneholder nukleoid med bakteriens kromosom, ribosomer, RNA, enzymer og metabolitter. Mange bakterier inneholder også plasmider, som er små, sirkulære DNA-molekyler adskilt fra kromosomet.

Cytoplasmamembranen avgrenser cellen og består av et dobbelt lag fosfolipider med innleirede proteiner. Membranen fungerer som barriere mot omgivelsene og er sete for energiproduksjon, elektrontransport og aktiv transport av molekyler.

Utenfor cytoplasmamembranen ligger celleveggen, som gir bakterien form og mekanisk styrke. Celleveggens oppbygning varierer mellom grampositive og gramnegative bakterier og har betydning for både diagnostikk og bakterienes interaksjon med verten.

I tillegg kan bakterier ha ulike overflatestrukturer, som kapsel, flageller, fimbrier og pili. Enkelte bakterier kan også danne sporer eller produsere biofilm. Disse strukturene er ikke til stede hos alle bakterier, men bidrar til overlevelse, kolonisering og spredning.

Cytoplasmamembranen

Cytoplasmamembranen er en tynn og fleksibel struktur som avgrenser bakteriecellen mot omgivelsene. Den består av et dobbelt lag fosfolipider med innleirede proteiner, og har samme grunnleggende oppbygning som membranen i eukaryote celler.

Membranen fungerer som en selektiv barriere. Små, fettløselige molekyler kan passere direkte, mens andre stoffer transporteres ved hjelp av transportproteiner, kanaler og pumper. Aktiv transport er nødvendig for opptak av næringsstoffer og for å opprettholde riktig ionebalanse i cellen.

Hos bakterier har cytoplasmamembranen flere funksjoner som i eukaryote celler utføres av egne organeller. Elektrontransportkjeden og energiproduksjon foregår i membranen, og denne prosessen bidrar til etablering av et membranpotensial.

Cytoplasmamembranen inneholder også enzymer som er nødvendige for syntese av celleveggen, inkludert peptidoglykan. Hos bevegelige bakterier er basallegemet til flagellen forankret i cytoplasmamembranen og inngår i flagellens motorapparat.

Celleveggen

Celleveggen ligger utenfor cytoplasmamembranen og gir bakteriecellen form, mekanisk styrke og beskyttelse mot osmotisk trykk. Celleveggen gjør at bakterien tåler store forskjeller i konsentrasjon mellom innsiden av cellen og omgivelsene.

Hovedbestanddelen i bakteriers cellevegg er peptidoglykan, et sterkt, nettverkslignende molekyl som omslutter cellen. Peptidoglykan består av lange kjeder av sukkermolekyler som er bundet sammen med korte peptidkjeder. Denne strukturen gir celleveggen både stabilitet og fleksibilitet. Peptidoglykan finnes bare hos bakterier.

Oppbygningen av celleveggen varierer mellom grampositive og gramnegative bakterier, og denne forskjellen ligger til grunn for gramfarging.

Grampositive bakterier har et tykt lag peptidoglykan som holder på gramfargen under gramfargingen. I celleveggen finnes også teikoinsyrer og lipoteikoinsyrer. Teikoinsyrer er bundet til peptidoglykanet, mens lipoteikoinsyrer også er forankret i cytoplasmamembranen.

Gramnegative bakterier har et tynt lag peptidoglykan som ligger i et rom mellom to membraner, kalt periplasma. Utenfor peptidoglykanlaget ligger en ytre membran, som inneholder lipopolysakkarid (LPS). Denne membranen fungerer som en beskyttende barriere og har betydning for bakteriens samspill med verten.

Illustrasjonen viser cytoplasmamembranen som det innerste membranlaget hos både grampositive og gramnegative bakterier. Hos grampositive bakterier ligger membranen direkte under et tykt lag peptidoglykan. Hos gramnegative bakterier ligger cytoplasmamembranen innerst, deretter et tynt peptidoglykanlag i periplasma, og ytterst en ytre membran.

Peptidoglykan

Peptidoglykan er hovedbestanddelen i bakteriers cellevegg og danner et sammenhengende nettverk som omslutter hele cellen. Strukturen gir bakterien styrke, samtidig som den tillater noe fleksibilitet.

Peptidoglykan består av lange kjeder av to vekslende sukkermolekyler: N-acetylglukosamin (NAG) og N-acetylmuraminsyre (NAM). Disse sukkerkjedene er bundet sammen på tvers av korte peptidkjeder, noe som gir en tredimensjonal, nettverkslignende struktur rundt bakterien.

Syntesen av peptidoglykan skjer trinnvis. Forløpere til NAG og NAM dannes inne i cytoplasma og transporteres deretter ut til celleveggen. Her kobles sukkerkjedene sammen og tverrbindingene mellom peptidkjedene etableres. Denne siste koblingen katalyseres av enzymer kalt transpeptidaser, også kjent som penicillinbindende proteiner (PBP).

Peptidoglykanets oppbygning og tverrbindinger varierer mellom ulike bakterier. Grampositive bakterier har et tykt og tett peptidoglykanlag, mens gramnegative bakterier har et betydelig tynnere lag. Disse forskjellene påvirker både celleveggens egenskaper og bakteriens følsomhet for antibiotika.

Ytre membran og periplasma hos gramnegative bakterier

Gramnegative bakterier har som nevnt, i tillegg til cytoplasmamembranen, en ytre membran som ligger utenfor peptidoglykanlaget. Mellom den indre og den ytre membranen ligger periplasma, et væskefylt rom som inneholder peptidoglykan og en rekke enzymer og proteiner.

Den ytre membranen er asymmetrisk oppbygd. Det innerste laget består hovedsakelig av fosfolipider, mens det ytterste laget inneholder lipopolysakkarid (LPS). Denne membranen fungerer som en beskyttende barriere mot skadelige stoffer, inkludert mange antibiotika og toksiske molekyler.

I den ytre membranen finnes poriner, som er proteinkanaler som tillater passiv diffusjon av små hydrofile molekyler. Gramnegative bakterier kan også ha efflukspumper som aktivt transporterer stoffer ut av cellen og bidrar til redusert følsomhet for antibiotika.

Periplasma inneholder enzymer som deltar i nedbrytning av næringsstoffer og i bakterienes metabolisme. Hos enkelte bakterier finnes også periplasmatiske enzymer som kan inaktivere antibiotika eller bidra til virulens.

Lipopolysakkarid (LPS)

Et endotoksin er et toksin som frigjøres når bakterien dør eller brytes ned. Endotoksiner finnes kun hos gramnegative bakterier, ettersom bare disse har LPS i celleveggen. Dette står i kontrast til eksotoksiner, som er proteiner som kan skilles aktivt ut fra levende bakterier og ha toksisk effekt på verten. Eksotoksiner kan produseres av både grampositive og gramnegative bakterier.

For bakterien har LPS flere funksjoner. Molekylet er negativt ladet, bidrar til å stabilisere den ytre membranen og fungerer som en beskyttelse mot kjemiske angrep, inkludert galle, antibiotika og andre skadelige stoffer i omgivelsene.

Kapsel

Enkelte bakterier er omgitt av en kapsel, som består av et løst lag polysakkarider ytterst på bakteriecellen. Kapsel kan forekomme hos både grampositive og gramnegative bakterier, og ligger utenpå celleveggen.

Kapselen har betydning for bakteriens overlevelse i en vert. Den gjør at bakterien gjenkjennes dårlig av vertens immunforsvar, blant annet ved å skjule overflatestrukturer som ellers ville blitt oppdaget av immunceller. På denne måten kan kapselen hindre fagocytose, slik at bakterien unngår å bli tatt opp og drept av makrofager og nøytrofile granulocytter.

Kapselen fungerer også som en barriere mot toksiske substanser i omgivelsene, inkludert antimikrobielle molekyler. I tillegg kan kapselen fremme adheranse, både til andre bakterier og til vevsoverflater hos verten, noe som bidrar til kolonisering.

Egenskaper hos bakterier som øker evnen til å overleve i verten og bidra til sykdom, kalles virulensfaktorer. Kapsel regnes som en slik virulensfaktor.

Biofilm

Biofilm er en struktur der bakterier lever samlet i et selvprodusert nettverk av polysakkarider, proteiner og DNA. Biofilmen dannes når bakterier fester seg til en overflate og antallet bakterier blir tilstrekkelig høyt.

Dannelse av biofilm styres blant annet av quorum sensing, der bakterier kommuniserer med hverandre ved hjelp av signalmolekyler. Når konsentrasjonen av disse signalene øker, aktiveres gener som fører til produksjon av biofilm.

Biofilm beskytter bakteriene mot både immunsystemet og antibiotika. Bakterier i biofilm er ofte betydelig mindre følsomme for antibiotikabehandling enn frittlevende bakterier. Dette bidrar til at infeksjoner assosiert med biofilm ofte blir kroniske og vanskelige å behandle.

Biofilm forekommer blant annet ved infeksjoner relatert til fremmedlegemer, som katetre og proteser, og på slimhinner og tannoverflater. Flere bakterier er kjent for å danne biofilm, inkludert stafylokokker, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli og viridansstreptokokker.

Flageller

Flageller er lange, trådlignende strukturer som gjør det mulig for enkelte bakterier å bevege seg aktivt. De fungerer som en propell som roterer og driver bakterien gjennom væske.

Som vist i figuren består en flagell av flere deler. Den ytterste delen kalles filamentet og er bygget opp av proteinet flagellin. Filamentet er festet til bakteriecellen via en krok, som fungerer som et bindeledd mellom filamentet og resten av strukturen.

Flagellen er forankret i bakteriecellen gjennom et basallegeme, som går gjennom celleveggen og cytoplasmamembranen. Basallegemet fungerer som en motor, og rotasjonen drives av energi fra protoner som strømmer over cytoplasmamembranen. Når protoner beveger seg gjennom motorproteinene, settes flagellen i rotasjon.

Hos gramnegative bakterier går basallegemet gjennom både den indre og ytre membranen samt peptidoglykanlaget, noe som forklarer de ulike ringstrukturene som vises i figuren. Hos grampositive bakterier er strukturen enklere, fordi de mangler ytre membran.

Bevegelighet gjør at bakterier kan bevege seg mot gunstige forhold, som næringsstoffer, og bort fra ugunstige miljøer. Flageller kan derfor bidra til at bakterier lettere når fram til egnede steder i verten.

Proteinet flagellin har antigene egenskaper, det vil si at det kan gjenkjennes av vertens immunforsvar og bidra til aktivering av immunrespons. Det finnes mange varianter av flagellin, noe som påvirker hvordan bakterier gjenkjennes immunologisk.

Fimbrier og pili

Fimbrier og pili er korte, hårlignende strukturer som sitter på overflaten av enkelte bakterier. De er bygget opp av proteinunderenheter kalt pilin og er betydelig kortere og tynnere enn flageller.

Fimbrier har hovedsakelig en funksjon i adheranse. De gjør det mulig for bakterier å feste seg til humane celler, slimhinner og andre overflater. Denne bindingen er ofte spesifikk og skjer ved at fimbrier gjenkjenner bestemte strukturer på vertsceller. Adheranse er et viktig første steg i kolonisering og kan være avgjørende for at infeksjon skal kunne oppstå.

Pili er strukturelt beslektet med fimbrier, men enkelte pili har en mer spesialisert funksjon. F-pili (sex-pili) deltar i horisontal genoverføring ved å binde seg til andre bakterier og muliggjøre overføring av genetisk materiale, vanligvis plasmider, mellom celler.

Ved å bidra til både adheranse og genetisk utveksling kan fimbrier og pili øke bakteriens evne til å etablere seg i en vert og tilpasse seg nye miljøer.

Sporer

Enkelte grampositive bakterier kan danne sporer når forholdene blir ugunstige for vekst og deling. Sporedannelse forekommer særlig hos bakterier i slektene Bacillus og Clostridium og er en overlevelsesmekanisme, ikke en formeringsform.

En spore er en metabolsk inaktiv struktur omgitt av et svært motstandsdyktig lag av keratin-lignende proteiner. Denne strukturen gjør at sporer tåler ekstreme påkjenninger, inkludert høy temperatur, uttørring, stråling, enzymer og kjemiske midler. I sporeform kan bakterien overleve i miljøet i svært lang tid.

Når forholdene igjen blir gunstige, kan sporen gå over i aktiv bakterieform gjennom en prosess kalt germinering. Germinering stimuleres blant annet av tilgang på vann, næringsstoffer, endringer i pH eller temperatur, samt mekanisk påvirkning.

Sporedannelse bidrar til bakteriens evne til å overleve i miljøet og kan ha betydning for smittespredning og infeksjon.

Metabolisme

Bakterier kan klassifiseres etter hvordan de forholder seg til oksygen, noe som har betydning for deres metabolisme og vekstbetingelser.

Obligate anaerobe bakterier vokser uten oksygen og tåler ikke oksygen, som er toksisk for dem. Mange anaerobe bakterier utgjør en stor del av normalfloraen i tarmen. Noen kan gi infeksjon dersom de kommer inn i normalt sterile områder. Et eksempel på en potensielt humanpatogen obligat anaerob bakterie er Bacteroides fragilis. Energiproduksjon skjer ved anaerob respirasjon eller fermentering.

Fakultativt anaerobe bakterier kan vokse både med og uten tilgang på oksygen. Når oksygen er til stede, benytter de vanligvis aerob respirasjon, men kan skifte til fermentering eller anaerob metabolisme ved oksygenmangel. De fleste humanpatogene bakterier tilhører denne gruppen. Eksempler er Escherichia coli og Staphylococcus aureus.

Obligate aerobe bakterier vokser kun i nærvær av oksygen og er avhengige av aerob respirasjon for energiproduksjon. Denne gruppen omfatter relativt få bakteriearter. Et eksempel er Mycobacterium tuberculosis.

Mikroaerofile bakterier vokser best ved redusert oksygenkonsentrasjon og ofte økt karbondioksid. De tåler ikke atmosfærisk oksygennivå. Eksempler på mikroaerofile bakterier er Helicobacter og Campylobacter.

Karbohydratmetabolisme

Mange bakterier bruker karbohydrater som energikilde. Nedbrytningen starter vanligvis med glykolyse, der sukker som glukose og laktose brytes ned til pyruvat. Denne prosessen gir en liten mengde energi i form av ATP.

Hva som videre skjer med pyruvat, avhenger av hvilke elektronakseptorer bakterien har tilgang på.

Dersom bakterien ikke har tilgang på en ekstern elektronakseptor, kan pyruvat omdannes gjennom fermentering. Ved fermentering brukes pyruvat som elektronakseptor, og sluttproduktene kan være for eksempel melkesyre eller alkohol. Denne prosessen gir lite energi, men gjør det mulig for bakterien å overleve uten oksygen. Fakultativt anaerobe bakterier, som Escherichia coli og Staphylococcus aureus, kan benytte denne strategien.

Hvis bakterien har tilgang på en elektronakseptor, kan pyruvat i stedet gå videre inn i sitronsyresyklusen. Elektroner som frigjøres her, føres videre til elektrontransportkjeden, der det produseres betydelig mer ATP enn ved fermentering.

Hos aerobe bakterier er oksygen den endelige elektronakseptoren. Dette gir høy energigevinst og brukes blant annet av obligat aerobe bakterier, som Mycobacterium tuberculosis, samt av fakultativt anaerobe bakterier når oksygen er tilgjengelig.

Hos obligate anaerobe bakterier kan andre stoffer fungere som elektronakseptorer, for eksempel nitrogen- eller svovelforbindelser. Disse bakteriene kan drive anaerob respirasjon, som gir mer energi enn fermentering, men mindre enn aerob respirasjon. Et eksempel er Bacteroides.

Celledeling og vekst

Bakterier formerer seg ved binær fisjon, en prosess der én celle deler seg i to genetisk identiske datterceller. Før deling må bakteriens DNA replikeres, slik at hver dattercelle får ett komplett kromosom.

Celledelingen starter med at et proteinkompleks etableres i midten av cellen. Her dannes en septum, som gradvis vokser innover og deler cellen i to. Prosessen krever spesifikke enzymer, blant annet transpeptidaser, som er involvert i syntese av ny cellevegg.

Mønsteret for celledeling varierer mellom bakterier. Streptokokker deler seg i ett plan og danner derfor kjeder av celler, mens stafylokokker kan dele seg i flere plan og danner klaser eller hauger av bakterier. Disse mønstrene brukes i mikrobiologisk diagnostikk.

Bakteriers vekst kan beskrives ved en vekstkurve med fire faser. I lagfasen tilpasser bakteriene seg nye vekstbetingelser. I logfasen (eksponentiell fase) deler bakteriene seg raskt og regelmessig. I stasjonær fase er celledeling og celledød i balanse, ofte på grunn av næringsmangel eller opphopning av avfallsstoffer. I dødsfasen dør flere bakterier enn det dannes nye.

Hastigheten på celledeling varierer betydelig mellom ulike bakterier. Under optimale forhold kan Escherichia coli dele seg omtrent hvert 20. minutt, mens Mycobacterium tuberculosis har en delingstid på rundt 20 timer.

Bakteriegenetikk

Bakteriers genetiske informasjon er lagret i DNA og bestemmer cellens struktur, metabolisme og evne til å tilpasse seg miljøet. Det meste av det genetiske materialet finnes i bakteriens kromosom, som vanligvis er ett enkelt, sirkulært DNA-molekyl.

Fordi bakterier mangler kjernemembran, kan transkripsjon og translasjon foregå samtidig. Dette gjør at bakterier raskt kan tilpasse genuttrykket sitt til endringer i omgivelsene.

Endringer i bakteriens DNA kan oppstå gjennom mutasjoner. Mutasjoner skjer spontant og kan føre til endrede egenskaper hos bakterien. Genotype viser til bakteriens DNA-sekvens, mens fenotype beskriver de observerbare egenskapene som følger av genuttrykket. Identiske bakteriekloner har samme genotype, men kan i noen situasjoner vise ulik fenotype.

I tillegg til kromosomet kan bakterier inneholde plasmider, som er små, sirkulære DNA-molekyler som replikeres uavhengig av kromosomet. Plasmider kan kode for egenskaper som antibiotikaresistens og virulensfaktorer, og kan overføres mellom bakterier.

Det samlede genetiske innholdet i en bakterieart kan deles inn i et kjernegenom, som består av gener som finnes hos alle bakterier i arten, og et aksessorisk genom, som inneholder gener som bare finnes hos noen stammer. Summen av alle gener som finnes innen en bakterieart kalles pangenomet.

Horisontal genoverføring og mobile genetiske elementer

Bakterier kan endre genetiske egenskaper ikke bare gjennom mutasjoner, men også ved horisontal genoverføring, der genetisk materiale overføres mellom bakterier. Dette kan skje både mellom bakterier av samme art og mellom ulike arter.

Genoverføringen skjer ved hjelp av mobile genetiske elementer, som er DNA-segmenter med evne til å flytte seg internt i kromosomet, mellom kromosom og plasmid, eller mellom bakterier.

• Plasmider er sirkulære, ekstrakromosomale DNA-molekyler som replikeres uavhengig av bakteriekromosomet. De kan forekomme i én eller mange kopier per celle og kan inneholde gener for blant annet antibiotikaresistens og virulens. Plasmider kan overføres mellom bakterier, ofte via konjugasjon.
• Transposoner og IS-sekvenser (innsettingssekvenser) er DNA-elementer som kan flytte seg fra ett sted i genomet til et annet. IS-sekvenser inneholder vanligvis bare gener som koder for enzymet transposase, mens transposoner i tillegg kan inneholde funksjonelle gener, for eksempel resistensgener.
• Genomiske øyer er større områder i bakteriekromosomet som inneholder flere gener som ofte er ervervet samlet fra andre bakterier. Disse kan kode for egenskaper som økt virulens eller antibiotikaresistens.
• Bakteriofager er virus som infiserer bakterier. Når fag-DNA integreres i bakteriens kromosom, kalles det en profag. Profager kan bidra til overføring av genetisk materiale mellom bakterier.
• Integroner er genetiske elementer som kan fange opp og uttrykke fremmede gener, ofte i form av genkassetter. De spiller en viktig rolle i spredning av antibiotikaresistens.

Horisontal genoverføring bidrar til rask genetisk tilpasning hos bakterier og forklarer hvordan egenskaper som resistens og virulens kan spre seg effektivt i bakteriepopulasjoner.

Klassifisering av bakterier

Bakterier kan klassifiseres på flere måter, basert på både fenotypiske og genetiske egenskaper. I klinisk mikrobiologi brukes ofte en kombinasjon av ulike klassifiseringsmetoder, avhengig av formål.

Fenotypisk klassifisering

Fenotypisk klassifisering bygger på observerbare egenskaper hos bakterien. Dette inkluderer først og fremst gramfarging, som deler bakterier inn i grampositive og gramnegative basert på oppbygningen av celleveggen. Gramfarging gir rask og praktisk informasjon som er nyttig i diagnostikk.

Bakterier kan videre klassifiseres etter morfologi, for eksempel om de er kokker eller staver, og etter hvordan de deler seg. Kokker som deler seg i kjeder kalles streptokokker, mens kokker som deler seg i flere plan og danner klaser kalles stafylokokker. Slike mønstre brukes rutinemessig i mikrobiologisk diagnostikk.

Andre fenotypiske metoder inkluderer biokjemisk karakterisering, der man undersøker hvilke substrater bakterien kan bryte ned eller hvilke enzymer den produserer. I tillegg kan bakterier klassifiseres ved serotyping, der overflateantigener som kapsel, O-antigen eller flagellantigener brukes til å skille mellom ulike stammer.

I moderne laboratorier brukes også massespektrometri (MALDI-TOF MS), som identifiserer bakterier basert på deres proteinsammensetning. Denne metoden gir rask og presis artsidentifikasjon.

Genetisk klassifisering

Genetisk klassifisering bygger på sammenligning av bakteriers DNA. En mye brukt metode er analyse av 16S rRNA-genet, som finnes hos alle bakterier og inneholder både konserverte og variable områder. Sammenligning av 16S rRNA-sekvenser gir informasjon om slektskap mellom bakterier.

I økende grad brukes også helgenomsekvensering, der hele bakteriens genom analyseres. Dette gir svært detaljert informasjon om genetisk slektskap, resistensgener og virulensfaktorer, og brukes både i forskning og ved utbruddsetterforskning.

Taksonomisk inndeling

Bakterier kan organiseres i et hierarkisk system med nivåene rike, rekke, klasse, orden, familie, slekt og art. For eksempel tilhører Escherichia coli familien Enterobacteriaceae, slekten Escherichia og arten Escherichia coli.

I praksis kombineres ofte flere klassifiseringsmetoder. Gramfarging, morfologi og vekstforhold gir rask oversiktsinformasjon, mens biokjemiske tester, massespektrometri og genetiske analyser brukes for mer presis identifikasjon.

Klassifiseringsprinsipp	Undergruppe	Kjennetegn	Eksempler
Genetisk slektskap	DNA-homologi	Basert på ribosomale gener (16S rRNA) og helgenom	–
Metabolisme (oksygen)	Obligate aerobe	Vokser kun med oksygen	Mycobacterium tuberculosis
	Obligate anaerobe	Tåler ikke oksygen	Bacteroides
	Fakultativt anaerobe	Vokser med eller uten oksygen	Escherichia coli, Staphylococcus aureus
Morfologi og gramfarging	Grampositive kokker i klaser	Deler seg i flere plan	Staphylococcus
	Grampositive kokker i kjeder	Deler seg i ett plan	Streptococcus
	Gramnegative kokker	Diplokokker	Neisseria gonorrhoeae, N. meningitidis
	Gramnegative staver	Stavformede	Escherichia coli
	Grampositive staver	Stavformede	Bacillus
Spesielle fargeegenskaper	Syrefaste staver	Mykolsyre i celleveggen	Mycobacterium tuberculosis, M. leprae
Massespektrometri	MALDI-TOF MS	Proteinsignatur for artsidentifikasjon	–

Når gir bakterier sykdom?

Bakterier kan deles inn etter hvilken rolle de vanligvis har i forhold til mennesket. Ikke all tilstedeværelse av bakterier fører til sykdom.

Normalflora består av bakterier som lever på hud og slimhinner uten å forårsake sykdom. Disse bakteriene kan ha beskyttende funksjoner ved å konkurrere med potensielt patogene mikrober om plass og næring.

Opportunistiske bakterier gir vanligvis ikke sykdom hos friske personer, men kan forårsake infeksjon dersom de kommer inn i normalt sterile områder eller dersom vertens immunforsvar er svekket. Dette kan skje ved kirurgi, traume, fremmedlegemer eller immunsuppresjon.

Humanpatogene bakterier har evne til å gi sykdom hos mennesker. Noen gir sykdom hovedsakelig hos immunsvekkede, mens andre kan gi infeksjon også hos immunfriske individer.

Høypatogene bakterier kan forårsake sykdom selv hos friske personer, ofte uavhengig av vertens underliggende helse.

Om eksponering for bakterier fører til sykdom, avhenger av flere faktorer. Inokulum, det vil si mengden bakterier man utsettes for, har betydning. I tillegg spiller bakteriens egenskaper, vertens immunforsvar og miljøfaktorer som lokalisasjon og barrierefunksjon en rolle.

Det skilles mellom kolonisering, der bakterier er til stede uten å forårsake vevsskade, og infeksjon, der bakteriene formerer seg og fører til vevsskade eller utløser en immunrespons som gir symptomer.

Bakteriell patogenese

Bakteriell patogenese beskriver prosessene som gjør at en bakterie kan forårsake sykdom hos en vert. Dette skjer som et samspill mellom bakteriens egenskaper og vertens forsvarsmekanismer.

For at infeksjon skal oppstå, må bakterien først komme inn i kroppen via en inngangsport. Vanlige inngangsporter er munn og mage-tarmkanal, luftveier, hudskader, stikk eller bitt, samt urogenitaltraktus ved seksuell kontakt. Bakterien må enten passere kroppens naturlige barrierer, som hud, slim, lav pH og antimikrobielle molekyler, eller utnytte en allerede skadet barriere.

Etter inngang må bakterien kunne etablere seg gjennom kolonisering. Dette innebærer at bakterien fester seg til vertens vev ved hjelp av strukturer som fimbrier, pili eller andre adhesiner. Uten effektiv adheranse vil bakterien ofte bli fjernet av mekaniske forsvarsmekanismer, som slimstrøm eller ciliebevegelse.

Noen bakterier forblir på overflaten, mens andre har evne til invasjon, der de trenger inn i vev eller celler. Invasjon kan føre til direkte vevsskade eller gi bakterien beskyttelse mot immunforsvaret.

Under videre sykdomsutvikling kan bakterier forårsake vevsdestruksjon på flere måter. Dette kan skje direkte gjennom bakterielle enzymer som bryter ned vev, eller indirekte gjennom aktivering av vertens immunrespons.

Mange bakterier produserer toksiner. Eksotoksiner er proteiner som kan skilles ut fra bakterien og påvirke vertsceller direkte. Endotoksin, som er LPS hos gramnegative bakterier, frigjøres når bakterien brytes ned og kan utløse kraftig inflammasjon.

En betydelig del av symptomene ved infeksjon skyldes ikke bakterien direkte, men vertens immunrespons. Kraftig aktivering av immunsystemet kan føre til vevsskade, feber og systemiske symptomer. Dette kalles immunpatogenese.

For å kunne overleve i verten har mange bakterier utviklet mekanismer for å unngå immunforsvaret, blant annet ved kapseldannelse, antigenvariasjon eller ved å overleve intracellulært.

Virulensfaktorer

Virulensfaktorer er egenskaper hos bakterier som øker evnen til å overleve i verten og bidra til utvikling av sykdom. Slike faktorer kan påvirke bakteriers evne til å etablere infeksjon, spre seg i vev, forårsake skade og unngå immunforsvaret.

Toksiner

Bakterielle toksiner kan deles inn i endotoksiner og eksotoksiner.

Endotoksin er en del av bakteriens struktur og finnes kun hos gramnegative bakterier. Endotoksinet består av lipopolysakkarid (LPS), der Lipid A er den biologisk aktive komponenten. Endotoksin frigjøres hovedsakelig når bakterien brytes ned eller dør. Når Lipid A kommer i kontakt med vertens immunsystem, kan det utløse feber, inflammasjon, aktivering av koagulasjonssystemet og i alvorlige tilfeller sepsis og septisk sjokk.

Eksotoksiner er proteiner som produseres og skilles aktivt ut fra levende bakterier. De kan ha svært spesifikke effekter på vertens celler, blant annet ved å hemme proteinsyntese, ødelegge cellemembraner eller påvirke nervesignalering. Eksotoksiner kan produseres av både grampositive og gramnegative bakterier, og små mengder kan gi betydelig biologisk effekt.

En spesiell type eksotoksiner er superantigener, som aktiverer et stort antall T-celler samtidig, uavhengig av spesifikt antigen. Dette fører til massiv frigjøring av cytokiner, såkalt cytokinstorm, og kan gi alvorlige systemiske reaksjoner, slik som ved toksisk sjokk.

Vevsnedbrytende enzymer

Noen bakterier produserer enzymer som bryter ned vertens vev, for eksempel proteaser, lipaser og kollagenaser. Disse enzymene kan bryte ned proteiner, fett og bindevevskomponenter i vertens vev. Nedbrytningen gjør det lettere for bakterien å spre seg lokalt i vevet, trenge dypere inn i kroppen og omgå fysiske barrierer. Samtidig kan enzymaktiviteten føre til lokal vevsskade, inflammasjon og nekrose, noe som bidrar til symptomer ved infeksjon.

Overflatestrukturer

Flere strukturer på bakteriens overflate fungerer som virulensfaktorer. Kapsel kan hindre fagocytose og redusere gjenkjenning av immunsystemet. Biofilm beskytter bakterier mot både immunforsvar og antibiotika. Fimbrier og pili bidrar til adheranse og kolonisering, mens flageller kan gjøre det lettere for bakterier å nå egnede nisjer i verten.

Sporer

Hos enkelte bakterier bidrar sporedannelse til overlevelse i miljøet og økt motstandsdyktighet mot ytre påvirkninger. Sporer tåler blant annet uttørring, høy temperatur, stråling og mange kjemiske midler, og kan overleve i miljøet over lang tid. Når forholdene igjen blir gunstige, kan sporen germinere og gi opphav til en metabolsk aktiv bakterie. Denne evnen øker bakteriens overlevelse utenfor verten og kan ha betydning for smittespredning, særlig ved indirekte kontakt eller via kontaminerte overflater.

Vertens immunforsvar og bakterier

Når bakterier kommer inn i kroppen, gjenkjennes de av vertens medfødte immunforsvar. Denne gjenkjenningen skjer ved at strukturer som er karakteristiske for mikrober, kalt PAMP (pathogen-associated molecular patterns), bindes av reseptorer på vertsceller.

PAMP er molekylære strukturer som finnes hos bakterier, men ikke hos humane celler. Eksempler er LPS, peptidoglykan, lipoteikoinsyre, flagellin og bakteriell DNA og RNA. Disse strukturene er relativt konserverte og gir immunforsvaret mulighet til å gjenkjenne bakterier raskt.

Reseptorene som gjenkjenner PAMP kalles PRR (pattern recognition receptors). PRR finnes på overflaten av immunceller, inne i endosomer og i cytoplasma. Et viktig eksempel er Toll-like-reseptorer (TLR), som aktiveres når de binder bakterielle komponenter.

Når PAMP bindes til PRR, aktiveres signalveier som fører til produksjon av cytokiner og andre inflammatoriske mediatorer. Dette utløser en inflammasjonsrespons, rekruttering av immunceller og aktivering av bakteriedrepende mekanismer. Denne immunresponsen er viktig for å kontrollere infeksjonen, men kan også bidra til vevsskade og symptomer.

Mange bakterier har utviklet mekanismer for å unngå eller dempe immunresponsen, for eksempel ved kapseldannelse, antigenvariasjon, intracellulær overlevelse eller hemming av komplementaktivering. Slike mekanismer kan øke bakteriens evne til å etablere og opprettholde infeksjon.