I 2012 ekstraherte Johnsen og Harms, som var en del av et stort team primært fra Tromsø og København, DNA fra 40.000 år gamle mammutbein.
Målet var å forsøke å få bakteriene Streptococcus pneumoniae, synderen som forårsaker lungebetennelse i mennesker, og en variant innen Acinetobacter-slekten, ei slekt som i økende grad forårsaker infeksjoner på sykehus, til å ta opp DNA-et.
– Et spørsmål mange har lurt på, er om gammelt DNA fremdeles er biologisk aktivt. Om man ser på for eksempel jord, er det jo masse arvestoff der, men det er ødelagt og fragmentert. Vi ville forsøke å se på om dette kunne tas opp av bakterier og integreres i bakteriens DNA, forklarer Johnsen.
Oppdaget noe uvanlig
I tillegg til genoverføring fra morcelle til datterceller, kan nemlig også bakterier, gjennom horisontal genoverføring, tilegne seg arvestoff fra omgivelsene sine.
Mens de to arbeidet med prosjektet, oppdaget imidlertid Harms noe uvanlig.
Fremskynder evolusjonen
– Det var noe som ikke stemte. Vi så relativt store endringer i genene fra en generasjon til den neste. Vi trodde først det dreide seg om kontaminasjon, og gikk i gang med å luke ut eventuelle feil i eksperimentene, sier Johnsen.
Da alle artefaktene var nullet ut, skjønte forskerne at de hadde oppdaget en mekanisme i bakteriene som kunne øke frekvensen av mutasjon i arvestoffet deres.
– Evolusjonen er en langsom prosess. Å utvikle egenskaper som gjør en organisme mer egnet til sitt miljø, er en stadig øvelse i å prøve og feile over lang, lang tid.
Man kan se på DNA som et puslespill, hvor hver brikke – hvert basepar – må passe inn i området rundt. Å finne egnede brikker kan ta tusenvis, til og med millioner, av år.
– DNA er ikke designet for å endre seg raskt. Men dersom brikkene ikke trenger å passe, da skjer evolusjonen raskt, sier Johnsen.
Det forskerne nemlig oppdaget, var at bakteriene kunne fremskynde denne prosessen dersom seleksjonen var hard nok.
Muterer 600 ganger raskere
– Vi programmerte bakteriene til å ikke kunne vokse i fravær av en spesiell aminosyre. Vi la inn to stoppfunksjoner rett etter hverandre i DNA-et deres – like før genene som koder produksjonen av denne aminosyren.
Det betyr kort oppsummert at bakteriene måtte mutere to ganger samtidig for å overstyre endringene forskerne hadde foretatt seg.
– Sannsynligheten for at det skjer er særdeles lav. Likevel gikk det ikke lang tid før bakteriene selv produserte aminosyren de trengte for å vokse.
Det viste seg at mekanismene som vanligvis holder bakterienes arvestoff intakt ble holdt i sjakk, noe som økte mutasjonsfrekvensen betydelig.
Videre viste det seg at ved å tilføre lave konsentrasjoner antibiotika, forekom mutasjonene rundt 600 ganger raskere enn vanlig.
Antibiotikaresistens
– Fra en generasjon til den neste kunne de bytte ut rundt 100 basepar, eller puslespillbrikker. De hentet nemlig den informasjonen de trengte for områdene rundt, slik at brikkene passet, fra andre deler av DNA-et sitt.
Harms og Johnsen har underveis i forskningen samarbeidet med et team fra Harvard og København. Funnene deres ble nylig publisert i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences USA (PNAS).
– Hvor går veien videre herfra?
– Vi håper se nærmere på implikasjonene funnene våre har for utvikling av antibiotikaresistens i bakterier. De raske DNA-endringene i bakteriene gjør at de også raskt kan bli motstandsdyktige mot medisiner og livsviktige vaksiner, sier Johnsen.