I ett projekt som stöds av den österrikiska vetenskapsfonden FWF, mikrobiologen Andreas Farnleitner tittar på nya metoder för att analysera fekala föroreningar i vatten. Med hjälp av DNA-analys, forskaren strävar efter att utveckla heltäckande och enkla metoder för att fastställa omfattningen och ursprunget av fekala föroreningar.
2015, FN formulerade 17 mål för hållbar utveckling. Ett av dessa mål är att ge alla människor tillgång till rent vatten. För närvarande, vattnet som är tillgängligt för minst 1,5 miljarder människor är förorenat med avföring. Detta kan orsaka allvarliga sjukdomar som kolera – cirka 500, 000 människor blir sjuka på grund av att de konsumerar förorenat vatten varje år. Målet är att lösa detta problem till 2030, men det är ofta svårt att vidta rätt åtgärder, eftersom källan till föroreningen inte kan upptäckas med för närvarande tillgängliga tester. I ett projekt finansierat av den österrikiska vetenskapsfonden FWF, en grupp ledd av Andreas Farnleitner från Technische Universität Wien (TU Wien) och Karl Landsteiner University of Health Sciences i Krems avser att ändra på det genom forskning för att utveckla mer exakta och snabbare analysmetoder för vatten.
En metod som är mer än 100 år gammal
"Under de senaste 120 åren, Avföring har påvisats i vatten på basis av tarmbakterien Escherichia coli. Den lever i tarmarna hos djur och människor, och det är relativt enkelt att upptäcka det i vatten", säger Farnleitner. "Du filtrerar vattnet och sätter filtret på en petriskål. Om Escherichia coli är närvarande, den kommer att börja växa och bilda lätt synliga kolonier nästa dag. Detta är den traditionella metoden som används, konditionerar alla standarder över hela världen." Enligt Farnleitner, dock, denna grundläggande standardmetod räcker inte längre. "För en sak, testet berättar inte källan till kontamineringen. Är det djur eller människa? Tamdjur eller vilda djur? Idag vill man också kunna dra slutsatser om hälsorisken." I och för sig, "Escherichia coli"-bakterien är ofarlig och inte all avföring innehåller farliga mikrobiella ämnen. "Vi behöver metoder för att bedöma vilka typer av fekala patogener som kan finnas i vattnet", förklarar Farnleitner.
Identifiera avföringsbakterier genom deras DNA
I flera projekt finansierade av FWF, Farnleitner forskar om nya detektionsmetoder för fekal mikrobiell kontaminering i vattenresurser. Han koncentrerar sina ansträngningar på populationer av tarmbakterier som inte kunde upptäckas tidigare, så kallade "rikliga värdassocierade bakterier". "Faktiskt, "Escherichia coli"-bakterier spelar bara en stödjande roll i tarmarna. Andra bakterier finns i mycket högre mängder, högre med flera storleksordningar till och med, men, till skillnad från 'Escherichia coli', de kan inte odlas med hjälp av standardprocesser." Det är möjligt, dock, att upptäcka dessa bakterier direkt med hjälp av deras DNA. "I princip, det är lite som att använda DNA-analys i brottsutredningar. Vi analyserar DNA från fekala bakterier som är relevanta för våra syften."
Att ta reda på vilka bakterier som är relevanta för en sådan analys är i centrum för ett pågående FWF-projekt. För att hitta svaret, Farnleitner analyserar avföringen från en mängd olika tama och vilda djur, inklusive fåglar, reptiler, groddjur och fiskar, samt jordprover, för att upprätta en databas över de mikroorganismer som finns där. "Vi har byggt avföringsdatabasen som nu innehåller utsöndringar från mer än 450 olika djur, för att få ett första intryck av mångfalden och skillnaderna i bakteriepopulationer mellan de olika fekala föroreningskällorna." I provtagningen, som genomfördes över hela världen, forskarna fick hjälp av veterinärer i ett team ledd av Chris Walzer och Gabrielle Stalder från University of Veterinary Medicine, Wien.
23 miljoner DNA-sekvenser
Att särskilja grupper av djur på basis av deras fekala bakterier ställde forskargruppen inför nya utmaningar:"Det är ett mer komplext företag än vi trodde. Först och främst konstaterade vi att avföringen från idisslare skiljer sig mycket från resten. Detta var att förväntas eftersom deras matsmältningssystem fungerar annorlunda. Det är trevligt att se att detta faktum återspeglas i deras tarmmikrobiom." Bland annat projektet rör frågan om "sam-evolution". Vissa tarmbakterier utvecklades tillsammans med sin värd och är karakteristiska för den organismen. De är som ett fingeravtryck för respektive grupp av djur. Det är precis vad Farnleitners team letar efter. Hittills har de analyserat 23 miljoner DNA-sekvenser – ett antal som representerar en utmaning för nuvarande bioinformatiska metoder. Molekylärbiologen Georg Reischer är ansvarig för sekvensanalys, med stöd av gruppen av professor Ruth Ley vid Max Planck-institutet i Tübingen, Tyskland.
"I framtiden kommer vi att kunna använda resultatet för fälttester och snabba detekteringsmetoder som fungerar utomhus i det fria, med enkla verktyg. Över hela världen, människor arbetar med att utveckla sådana intelligenta detekteringsverktyg", säger Farnleitner. "Ett lopp startade för 10 år sedan i USA, där nya regler infördes. Om du har problem med vattenkvaliteten i USA, du måste också ange deras källa. Denna utveckling kommer att revolutionera analysen av vattenkvalitet", avslutar Farnleitner. Nu, efter nästan 150 år, dörren är öppen för framsteg.
