Jak rozmawiają bakterie? Czyli o biologicznej walce Dawida z Goliatem.

Czy zastanawialiście się kiedyś jak mikroorganizmy porozumiewają się między sobą? Ja też nie, dopóki nie zapoznałem się z badaniami profesor Bonnie Bassler. Bakterie są najstarszymi organizmami na Ziemi. Te jednokomórkowe organizmy posiadają tylko jedną nić DNA (genofor),  mają niewiele genów oraz informacji genetycznej, żeby zakodować wszystkie funkcje, które pełnią bądź wykonują. Bakterie z punktu widzenia przeciętnego człowieka są niezwykle nudnymi organizmami. Ich tryb życia opiera się głównie na konsumowaniu substancji odżywczych, następnie podwajają swój rozmiar, po czym dzielą się na dwie połowy. W ten sposób ten miniorganizm dzieli się na dwa i tak w kółko.

Wiem, że każdy z was uważa się za człowieka w stu procentach, ale ja chciałbym wam zobrazować, jak mogą widzieć was inni. Wybierzmy sobie przeciętną ludzką istotę. Zbudowana jest z około tryliona komórek, które stanowią to kim jesteśmy, to co czujemy oraz wszystko co jesteśmy w stanie zrobić. Trzeba jednak pamiętać, że przez większość czasu każdy z nas ma na sobie 10 trylionów komórek bakteryjnych. W sobie lub na sobie praktycznie przez całe życie. Zatem jeżeli macie 10 razy więcej komórek bakteryjnych niż swoich (ludzkich) – to jesteście jedynie w 10 procentach ludźmi. Spójrzmy jednak na fakty z innej strony. Jeżeli bierzemy pod uwagę DNA to każdy z nas ma około 30 tysięcy genów. Okazuje się, że wewnątrz jak i zewnątrz, macie 100 razy więcej genów (bo to geny bakteryjne), które odgrywają rolę przez całe wasze życie, więc w najlepszym wypadku jesteście ludźmi w 10% a w najgorszym w 1%.

Bakterie nie są biernymi bytami – wiele z nich działa prozdrowotnie, chronią nas przed patogenami, syntetyzują witaminy, bądź pomagają nam przetworzyć niektóre z pokarmów. Mówiąc jaśniej – utrzymują nas przy życiu. Bardzo rzadko mówi się o tych pozytywnych stronach bakterii, o wiele częściej natomiast mówimy o tym, jakie są złe lub jakich chorób możemy się przez nie nabawić. Nie powinniśmy dyskutować na temat ich korzystnego lub negatywnego wpływu, lecz o tym, jak są w stanie to zrobić? Przecież my jesteśmy dla nich gigantami. Ponadto większość uważa bakterie za organizmy asocjalne, żyjącymi w pojedynkę. Badania, które rozświetliły odpowiedź na pytanie jak bakterie radzą sobie z takim gigantami, zostały przeprowadzone przez profesor Bonnie Bassler – specjalistkę w sprawach mikroorganizmów.

Wskazówką natomiast okazała się mała, niezwykle piękna bakteria Vibrio fischeri. Ów mikroorganizm potrafi wytwarzać światło, na zasadzie bioluminescencji – podobnie jak świetliki. Sam fakt świecenia jest mało ciekawy – jeżeli sprawdzimy, kiedy światło jest wytwarzane. Okazuje się, że jeżeli bakterie są rozproszone w wodzie, to nie zachodzi zjawisko bioluminescencji. Natomiast jeżeli ich zagęszczenie jest wysokie, to zaczynają świecić. Jak więc te małe organizmy rozpoznają sytuację, w której są otoczone „rodziną” od tej w której nie są? Rozwiązanie tej zagadki nie było skomplikowane, lecz na swój sposób bardzo innowacyjne. Kiedy bakteria rośnie i dzieli się, to cała społeczność uczestniczy w wytwarzaniu biomolekuł i kiedy molekuły osiągną pewną ilość, która mówi bakteriom ilu ma sąsiadów, bakterie rozpoznają tę molekułę i wszystkie synchronicznie emitują światło. Mikroorganizmy rozmawiają za pomocą tych chemicznych słów.

Powód dla którego Vibrio fisheri to robi pochodzi z biologii – ta bakteria żyje w kałamarnicy – to hawajska Euprymna scolopes. Zwierzę toleruje tę błazenadę, ponieważ potrzebuje tego światła. Oto jak funkcjonuje ta symbioza. Żyje sobie ten mały kalmar u wybrzeży Hawajów, w płytkiej do kolan wodzie, prowadzi on nocny tryb życia, więc w dzień zakopuje się w piachu i śpi, ale później musi wyjść w nocy żeby polować. Przy jasnych nocach duża ilość światła gwiazd i księżyca przenika na relatywnie duże głębokości wody, lecz kalmar rozwinął w sobie przesłonę, którą może zamykać i otwierać - ten wyspecjalizowany organ z bateriami. Poza tym na plecach ma detektory wyczuwające, a więc otwiera i zamyka przesłonę, tak aby ilość światła od spodu – wytwarzanego przez bakterie – idealnie pasowała ilości światła docierającego do kałamarnicy – tak aby nie rzucała cienia. Tak naprawdę używając bakterii, kalmar rozświetla się i chroni przed drapieżnikami, które przez to nie widzą jego cienia – nie mogą namierzyć jego trajektorii. Gdy się jednak nad tym zastanowić kałamarnica ma jednak ogromny problem, ponieważ przytrzymuję tę pokaźną grupę kolonii i nie może utrzymać tego stanu. Zatem każdego ranka o wschodzie słońca kałamarnica idzie spać, zakopuje się w piasku i posiada pompkę zgraną z jego rytmem dobowym i kiedy słońce wschodzi – wypompowuje jakieś 95% bakterii. Mikroorganizmy są rozproszone więc nie wytwarzają światła – kałamarnica o to nie dba – śpi w piasku.

Najpierw odkryto jak bakteria tego dokonuje, a potem użyto technologii biologii molekularnej, aby dokładniej poznać ten mechanizm. Okazuje się, że Vibrio fischerii  posiada białko (enzym), które wytwarza molekuły. Bakterie mają także receptor, który dopasowuje się do molekuły jak klucz z zamkiem, ale o tym wszyscy doskonale wiemy. Receptory wyglądają bardzo podobnie do tych, które możemy spotkać na własnych komórkach. Kiedy molekuły osiągają pewną ilość, co świadczy o liczbie komórek, dopasowują się do receptorów i przekazują komórkom informację o tym, żeby wspólnie włączyć światło i zacząć świecić.

Co ciekawe przez ostatnie lata odkryto, że to nie jest jakaś śmieszna anomalia, która żyje sobie w oceanie, lecz zjawisko to dotyczy wszystkich bakterii, które posiadają taki system. Teraz już wiemy, że wszystkie bakterie „rozmawiają” i wytwarzają chemiczne słowa, rozpoznają je i uaktywniają grupowe zachowania, skuteczne tylko kiedy wszystkie komórki biorą udział w tym działaniu. Mamy więc taki system wyczuwania kworum – mechanizm wyczuwania liczebności. Bakterie głosują za pomocą chemicznych głosów, które są liczone, a następnie wszystkie reagują zgodnie z wynikiem głosowania. Co ciekawe są setki zachowań, którymi bakterie mogą się charakteryzować, ale najważniejsza dla nas jest złośliwość. To nie jest tak, że para bakterii dostaje się do waszego organizmu i zaczynają wydzielać jakieś toksyny (powoduje naszą chorobę). Jesteśmy olbrzymami o wielkiej sile obronnej, takie działanie nie miałoby na nas żadnego wpływu. To tak jakby mrówka próbowała zniszczyć okręt wojenny. Wiem już teraz, co robią bakterie: dostają się do organizmu człowieka, czekają, zaczynają się dzielić, liczą się za pomocą tych magicznych molekuł i rozpoznają moment odpowiedniej liczby komórek, który mówi im, że jeśli wszystkie razem rozpoczną atak wirulencji, to odniosą sukces i pokonają giganta.

Nie wystarczy umiejętność rozmawiania tylko ze swoim szczepem. Powrócono zatem do biologii molekularnej i zaczęto je badać. I stwierdzono, że bakteria wypuszcza sygnały które mówią tak to „JA” – wasze rodzeństwo, ale mają też drugi system mówiący systemem międzygatunkowym. Sprowadza się to do tego, że bakterie potrafią liczyć ile „JA” i ile „TY” jest w otoczeniu. Gromadzą te informacje w sobie i decydują o ewentualnym ataku bądź obronie, biorąc pod uwagę kto ma przewagę liczebną. Takie bakteryjne Esperanto.

Gdy wiadomo już tak wiele, zapytano, czy można ten język jakoś wykorzystać. Tak jak wspominałem bakterie inicjują choroby za pomocą mechanizmu wyczuwania liczebności. Jednym z pomysłów było, aby zatkać bakteriom „usta” i „uszy”. Na pewno już wiecie, że powoli kończą się nam antybiotyki – dzisiejsze bakterie są niewyobrażalnie odporne na wszystkie nasze leki. Dlatego trzeba znaleźć nowe metody do zwalczania, a nie tylko polegających na zabijaniu bakterii. Wiemy teraz, że jeżeli zarazimy zwierzę wirulentną bakterią – odporną na wszystkie leki i w tym samym czasie podamy molekuły anty-kworum to faktycznie zwierzę będzie żyć. To daje nam nowy system obrony przed bakteriami i rzuca to nowe światło na antybiotyki i problem odporności.

Mam nadzieję, że przekonałem was do tego, że bakterie naprawdę mówią i używają chemicznego języka, który dopiero poznajemy. Bakterie działają razem, bo tylko tak można zdziałać coś wielkiego. Bakterie są na ziemi od miliardów lat, a my od tysięcy, dlatego poznanie bakterii jako wielocząsteczkowej organizacji może się przyczynić do lepszego zrozumienia także ludzkiego ciała. Dlatego pamiętajcie o tych SZEPTACH bakterii – niektóre być może zmienią naszą przyszłość. A naukowcy w swoich laboratoriach próbują podsłuchać jak bakterie szepczą i co "knują". I jest to niezwykle pasjonujące!

Łukasz Retel  (student biotechnologii)

fot. S. Czachorowski - Laboratorium Diagnostyki Molekularnej