Rozmowy przy zarażaniu
Bakterie komunikują się ze sobą, wymieniając sygnały chemiczne. Podsłuchując i zagłuszając tę konwersację, możemy zablokować ich zmasowany atak. Na tym opiera się pomysł na nowe antybiotyki.
Drobnoustroje wymieniają informacje w sposób rutynowy, ale także w celu stworzenia sieci powiązań, która bywa dla nas szkodliwa. Zdolność zrozumienia dróg, mechanizmów i celów tej nieustannej chemicznej pogawędki może mieć głęboki wpływ na nasze zdrowie, przemysł, rolnictwo i środowisko naturalne. Najnowsze badania uczonych z Duke University pozwoliły odkryć klucz do zrozumienia licznych i specyficznych dla gatunku języków tej komunikacji.
Gadatliwe mikroby
Bakterie mają geny kodujące wytwarzanie małych chemicznych sygnałów, zwanych autoinduktorami, oraz białka zdolne te informacje odebrać (receptory). Rodzaj i ilość cząsteczki autoinduktora informuje bakterie, ile osobników tego samego gatunku jest w środowisku, co można porównać do liczenia, czy jest kworum.
Porównanie jest tym prawdziwsze, że bez kworum pewnych rzeczy, tak jak w społeczeństwie, przeprowadzić się nie da, inne będą mniej skuteczne. U drobnoustrojów od tego, czy jest ich dostateczna liczba, zależy uruchomienie i utrzymanie istotnych dla populacji bakteryjnej procesów. Mechanizm ten steruje poszukiwaniem składników odżywczych, świeceniem komórek, produkcją barwnika, zjadliwością, zdolnością do wytwarzania antybiotyków czy decyzją o przejście w stan uśpienia. Autoinduktory również informują o obecności w sąsiedztwie bakterii spokrewnionych oraz odmiennych, czyli jest to system monitoringu potencjalnych sprzymierzeńców, współzawodników i wrogów.
Możliwe jest także porozumiewanie się między dwoma różnymi światami ożywionymi, choćby bakteriami i grzybami, co może mieć miejsce np. w kulturach kefirowych. Komórki organizmów wyższych wykrywając autoinduktory bakterii w swoim otoczeniu prawdopodobnie aktywnie odpowiadają. Bakterie też nie są głuche na obecność specjalnych cząstek sygnałowych produkowanych przez organizmy wyższe. Oznacza to, że ciągle dyskutujemy z żywymi kulturami bakterii w naszych jelitach, a pewnie i z groźnymi bakteriami chorobotwórczymi podczas zakażenia. Być może obie sytuacje wiążą się z podszywaniem się pod siebie nawzajem za sprawą chemicznych sygnałów komunikacyjnych lub próbami sterowania nawzajem swoim metabolizmem. Prof. Judith P. Armitage z University of Oxford na łamach "Journal of Bacteriology" porównała nawet tę komunikację prymitywnych jednokomórkowców do sieci neuronalnej.
W dwóch liniach ewolucyjnych bakterii (tzw. Gram-dodatnich i Gram-ujemnych) funkcjonują dwa podstawowe modele działania systemu liczenia kworum. Sygnał chemiczny jest wytwarzany, wysyłany na zewnątrz i odbierany przez komórkę własną i sąsiednie. Wewnątrz komórki-odbiorcy sygnał jest oczyszczany i wzmacniany niczym w radioodbiorniku i przekazywany za pomocą całego układu regulatorów. Ostatecznie aktywowane są odpowiednie geny. Następuje odpowiedź na sygnał - gdy bakteria zaczyna produkować chociażby czynniki zjadliwości, np. toksyny, to wie, że w ciele człowieka, którego zakaziła, jest już wystarczająco dużo jej pobratymców, by podjąć frontalny atak.
Znanych jest także wiele innych sposobów komunikacji, m.in. u promieniowców - nitkowatych bakterii glebowych, produkujących liczne antybiotyki. Także paciorkowce wywołujące próchnicę zębów liczą kworum inaczej niż pozostałe bakterie Gram-dodatnie, a bakteria Myxococcus xanthus zamiast skomplikowanych związków chemicznych wykorzystuje do tego aminokwasy. Dodajmy, że naukowcy opisują systemy komunikacji bakterii, które dają się wyhodować w laboratorium, a to przecież tylko wierzchołek góry lodowej. Mnóstwa gatunków do dziś nie udało się wyhodować, choć wiemy, że istnieją, bo znajdujemy ich DNA np. w wodach oceanicznych.
Złamana enigma
Żeby zrozumieć bakteryjny język komunikacji, trzeba było odkryć, co wspólnego mają ze sobą te liczne i różnorodne sposoby ustalania kworum. Anand Pai i Lingchong You z Duke's Institute for Genome Sciences&Policy and Center for Systems Biology odkryli i opisali w lipcowym "Molecular Systems Biology" taki wspólny mianownik, który nazwali potencjałem zmysłowym (ang. sensing potential). Potencjał ów wyraża stosunek liczby komórek do wielkości środowiska, w którym w danym momencie występują. Nie ma przy tym znaczenia bezwzględna ich liczba - można wywołać liczenie kworum nawet u pojedynczej komórki bakteryjnej, jeśli umieści się ją w małej objętości. Oznacza to, że system ten rozpoznaje sam siebie i przestrzeń, w której się znajduje. Działa zatem raczej niczym sonar niż radio ułatwiające kontakt z innymi osobnikami. "Niezależnie od tego, jaki typ komórek weźmiemy pod uwagę i jakim systemem liczenia kworum będą się one posługiwać, zawsze wystąpi ten związek pomiędzy wielkością komórki a wielkością środowiska, w którym ona się znajduje" - twierdzą autorzy badań.
Udało się stworzyć matematyczny model tej biologicznej rzeczywistości. Dzięki niemu nie tylko lepiej rozumiemy to, co już wiemy o systemach liczenia kworum, ale potrafimy także przewidzieć to, czego jeszcze nie udało się wykazać eksperymentalnie. Pozwala to badać ewolucję tych systemów oraz projektować syntetyczne obwody genów, które będą działać wykorzystując mechanizm liczenia kworum. Skoro znamy jakiś system szyfrowania, możemy zakodować w nim, co tylko zechcemy, np. zmuszając bakterię do wytwarzania jakichś cennych związków czy enzymów. Aby wykazać prawdziwość swojego modelu, autorzy skonstruowali taki syntetyczny obwód genetyczny. Taki podsłuch pozwala poznać sieć powiązań i kontrolować zachowanie podsłuchiwanych. Dzięki niemu jedną sprawną akcją można zniszczyć całą siatkę wrogów.
W jedności siła
Wielkie w swej prostocie osiągnięcie naukowców z Duke University może okazać się przełomowe w opanowaniu świata bakterii. Dziś bowiem ciągle jesteśmy bezradni wobec dwóch problemów. Pierwszym jest tworzenie się biofilmów, czyli zorganizowanych i silnie zhierarchizowanych struktur przestrzennych, zdolnych przetrwać niemal wszystkie środki antybakteryjne. Rozwijają się one, by skolonizować nowy obszar, umocnić się na nim i ekspandować. Rozrost takiego biofilmu w ranie pacjenta może go zabić. Gdy wstawimy do wody kwiaty, na ściankach wazonu po kilku dniach pojawią się zielone, odpadające płaty - to właśnie biofilm, w którym uczestniczy pałeczka ropy błękitnej (dlatego na niektóre oddziały szpitalne nie powinno się przynosić kwiatów).
Pewne powierzchnie, np. tworzywa sztuczne, są chętnie kolonizowane przez mikroorganizmy. A w ciele pacjenta będącego w stanie krytycznym zazwyczaj tkwi wiele różnych plastikowych rurek różnych urządzeń medycznych. Każda z nich to potencjalne miejsce zagnieżdżenia się jakiegoś biofilmu. Wiele zakażeń, np. nawracające zapalenie ucha środkowego czy cewki moczowej, wiąże się z wytworzeniem na nabłonkach człowieka biofilmu.
Dlaczego tak trudno z nim walczyć? Bo wszelkie środki bakteriobójcze, zarówno te fizyczne (np. promieniowanie), jak chemiczne (np. antybiotyki) działają najczęściej na rosnące komórki bakterii. A w biofilmie część warstw jest jakby uśpiona, choć nie martwa. Gdy zniszczymy komórki aktywnie się dzielące i ustaje działanie zabójczego czynnika, spod warstw śluzu wydobędą się i zaczną namnażać te uśpione. Ponadto przez warstwy śluzu i martwych bakterii antybiotykowi znacznie trudniej się przebić.
Urwany biofilm
Czy nie lepiej, zamiast uderzać w dzielące się komórki bakteryjne, co robią klasyczne antybiotyki, skonstruować leki, które zaburzą komunikację między bakteriami i doprowadzą do ich unieszkodliwienia? Takie ogłupienie bakterii spowoduje, że nie będą wiedziały, ile ich jest naprawdę, i nie podejmą np. produkcji czynników zjadliwych czy biofilmu. Bakterie to przetrwają, ale ich agresja zostałaby stępiona i zakażenie by się nie rozwijało. A gdy presja selekcyjna jest mniejsza, słabsza jest także odpowiedź - zatem znacznie wolniej szerzyłaby się oporność bakterii na takie antybiotyki niż na zabójcze chemikalia. Dziś wystarczy rok, by na nowo wprowadzony na rynek antybiotyk pojawiła się w szpitalach oporność.
W ten sposób poradzilibyśmy sobie z drugim problemem, jakim jest oporność na antybiotyki. A ponieważ sygnały bakteryjne bywają bardzo specyficzne dla gatunku, można zakłócać komunikację pomiędzy szkodliwymi bakteriami, nie wpływając na niegroźne pogawędki pożytecznych. W tym jednak tkwi też słabość - taki antybiotyk działałby na bardzo nieliczne gatunki, a zatem byłby bardzo kosztowny. Dziś lek jest tym tańszy, im więcej różnych bakterii zabija, bo tym więcej go się przepisuje i stosuje.
Biofilmy są też zagrożeniem dla przemysłu naftowego oraz dla systemów filtrowania i dostarczania wody - tam bakterie zorganizowane w struktury o średnicy metra i więcej, dosłownie zatykają rurociągi i zjadają zbiorniki (zob. www.youtube.com/watch?v=PF8mqn2Yo8M&feature=related). Dlatego każde badania, które dają nadzieję na likwidację takich bakteryjnych cywilizacji, mogą liczyć na poważne wsparcie przemysłu. Z drugiej strony, dzięki biofilmom gleba jest miejscem żywym. Dlatego naukowcy muszą do tych problemów podchodzić z dużą rozwagą, by nie zakłócić elementarnych procesów porozumiewania się mikrobów, które ewoluowały miliardy lat.
Magdalena Kawalec
Polityka
