Interakcije mikroorganizama


Antibiotici

Od otkrića antibiotika do danas prošlo je nekih 80-ak godina, a o širokoj primjeni antibiotika govorimo zadnjih 40 godina, što je važno s obzirom na činjenicu da ljudi žive s bakterijama od samog nastanka ljudske vrste, a tek zadnjih 40 godina ljudi aktivno upotrebljavaju antibiotike i tako snažno mijenjaju taj odnos. Odmah po otkriću antibiotika ljudi su spoznali i sposobnost bakterija da razviju otpornost na djelovanje antibiotika. Gore spomenuti Joshua Lederberg je već 1952. godine dokazao kako je otpornost bakterija na djelovanje penicilina postojala prije samog otkrića penicilina. Penicilin je proizvod također mikroorganizma, gljive Penicillium. Kao i druge molekule koje proizvode mikroorganizmi, i penicilin sudjeluje u komunikaciji među mikroorganizmima. Bakterije su s vremenom našle načina zaštiti se od djelovanja takvog produkta druge vrste mikroorganizama mnogo prije no što je čovjek otkrio njegovo djelovanje. Načelno, razlikujemo par načina na koji bakterija postaje otporna na djelovanje antibitika: onemogućuje mu ulaz ili ga razgrađuje i izbacuje ili mijenja stanični mehanizam na koji antibiotik djeluje. Bakterijska otpornost se javlja kao posljedica vrlo brzog razmnožavanja i velikog broja bakterija. Veliki broj dioba bakteriji omogućava prilagodbu na uvjete okoliša. Bakterije postaju otporne mutacijom ili preuzimanjem otpornosti od drugih bakterija. Mutacije su spontane promjene u genskom sastavu organizma koje se događaju uslijed nesavršenosti sustava prepisivanja i aktiviranja genetskog materijala tj. mutacije su posljedica greške. Kod bakterija, uslijed velikog broja dioba stanica, te greške su samim time i češće. Ponekad te slučajne greške imaju za posljedicu produkt koji bakteriji pruža prednost u usporedbi s bakterijom kojoj se nije dogodila greška. Ako u okolišu postoji neki uvjet koji djeluje štetno na bakteriju, bakterije otporne na taj uvjet ostvaruju prednost u odnosu na bakterije koje nisu otporne i uskoro sve bakterije koje preostaju u populaciji su one otporne. Takav je slučaj s mutacijom, greškom, koja za posljedicu ima otpornost na antibiotik. Drugi način stjecanja otpornosti je prikupljanje gena za otpornost na antibiotike od drugih mikroorganizama. U slučaju izloženosti antibiotiku, bakterija koja je primila gen za otpornost na antibiotik, biti će u prednosti u odnosu na bakterije koje ga nemaju. No, u slučaju kad nema selektivnog pritiska antibiotika, bakterija koja je potrošila dio svog genetskog materijala na otpornost na antibiotik biva u nepovoljnijem položaju od bakterija koja je taj genetski materijal ostavila npr. za iskorištavanje hranjivih tvari.

Interakcije mikroorganizama

Može se reći kako smo otkrićem antibiotika započeli utrku u naoružanju s  mikroorganizmima. No, to je samo jedna strana priče o interakciji ljudi i mikroorganizama, ona u kojoj mi doživljavamo mikroorganizme kao one koji žive na našu štetu odnosno čineći nam štetu. No, postoje i drugi oblici bioloških interakcija. Kad god se radi o interakciji više pripadnika jedne ili više različitih vrsta ti odnosi mogu biti na obostranu korist – mutualistički odnosi; na štetu jednog od partnera u odnosu – parazitarni odnosi; ili od koristi za jednog partnera i bez štete za drugog – komenzalni odnosi. Mnogo je različitih primjera za svaki od tih odnosa, a onaj kojeg smo najviše svjesni jest onaj parazitarni no u stvarnosti puno više mikroorganizama živi s nama u komenzalnom ili mutualističkom odnosu, odnosu od kojeg mi imamo i te kako koristi. Za svaki odnos potreban je neki oblik komunikacije.

Pripadnici svih vrsta živog svijeta komuniciraju kako među sobom, tako i s drugima, pomoću seta različitih molekula (Pacheco et al., Rumbaugh et al.). Uzmimo za primjer endokrini sustav ili sustav hormona – molekula različitih struktura koje luče žlijezde s unutarnjim lučenjem i koji krvotokom dolaze do udaljenih stanica u našem tijelu i prenose poruku. Upravo takve i slične molekule su jezik kojim komuniciraju sve stanice u našem tijelu, i one udaljene i one u direktnom kontaktu. Ovaj primjer komunikacije u našem tijelu samo je usavršeni oblik komunikacije koji postoji u svom živom svijetu. Tako i bakterije komuniciraju među sobom sustavom različitih molekula.

Otkriće bakterijskog jezika komunikacije omogućila je jedna lignja. Naime, 70-tih godina prošlog stoljeća primjećen je fenomen svjetlucanja havajske lignje kao posljedice luminiscencije, odnosno proizvodnje svjetla od strane bakterije Vibrio fischeri koja živi na lignji. Primjećeno je da bakterija svjetluca tek kad dostigne određeni kritični broj, odnosno kvorum, pa je taj fenomen – ponašanje bakterija ovisno o broju – nazvan ‘quorum sensing’ ili osjećanje kvoruma (Atkinson et al.). Lignja pruža siguran i ugodan dom bakteriji koja se zbog toga nakuplja i dijeli i dostiže kvorum uslijed čega počinje svjetliti. Lignja je u oceanskim dubinama izložena predatorima koji je napadaju odozdo i pri tome je doživljavaju kao sjenu u odnosu na svjetlo s morske površine. Aktivacijom bakterija, lignja biva osvjetljenom i u odnosu na morsku površinu, gledana odozdo, gubi privid sjene i postaje praktički nevidljiva. Na taj način, i bakterija i lignja imaju koristi od zajedničkog života – mutualizam.

Mehanizam ‘quorum sensing’ procesa odnosno bakterijske komunikacije se zasniva na stalnoj proizvodnji signalnih molekula koje pak izazivaju proizvodnju novih količina tih istih molekula kada dođu u drugu bakteriju (Rumbaugh et al.). Bakterije koje žive u neprijateljskom ili neadekvatnom okruženju se ne nakupljaju pa i signalne molekule bivaju razrijeđene u okolišu. No, kada je okoliš povoljan, bakterije se nakupljaju, dolazi do porasta koncentracije signalnih molekula koje signaliziraju proizvodnju novih signalnih molekula i tako se pojačava signal koji onda privlači i okolne bakterije, i tako dalje. To je osnovni mehanizam funkcioniranja ‘qourum sensing’ molekula, odnosno bakterijskog jezika. Ovisno o kojim bakterijama se radi, te molekule su i različitih struktura. Gram pozitivne bakterije uglavnom komuniciraju peptidnim molekulama, dok gram negativne molekule uglavnom komuniciraju steroidnim molekulama, što je analogno našem endokrinom sustavu i hormonima. Hormoni su uglavnom ili peptidne ili steroidne strukture i danas se smatra kako je naš endokrini sustav u biti nastao iz ovog bakterijskog jezika.

No, postavlja se pitanje zašto bakterije komuniciraju međusobno tj. koja je poruka koju prenose i s kojim ciljem? Jedan od sasvim prihvatljivih odgovora je – biofilm. Biofilm je visokoorganizirani oblik života bakterija (Bjarnsholt et al.). Danas se smatra da preko 80% bakterija živi u obliku biofilma. Biofilm je karakteriziran vezivanjem bakterija na čvrstu podlogu pri čemu dolazi do aktivacije ‘qourum sensing’ komunikacije, povećanja koncentracije signalnih molekula što dovodi na nakupljanja sve većeg i većeg broja bakterija koje onda formiraju visoko organiziranu trodimenzionalnu formu – biofilm. Ovisno o položaju u toj strukturi pojedinačne bakterije se nalaze u različitim fazama života, prilagođavajući se različitim potrebama te strukture kao jedinstvenog oblika života. Najimpresivniji dokaz stupnja organiziranosti bakterija u biofilmu je pojava ugibanja pojedinačnih bakterija za potrebe preživljavanja biofilma kao zajednice. Biofilmovi su često sazdani od više bakterijskih vrsta, a nerijetko i od bakterija i gljivica.

Medicinski gledano, najvažnija posljedica postojanja biofilmova je povećana otpornost bakterija na antibiotike. Bakterije u biofilmu su povećano otporne na antibiotike zbog raznih razloga: antibiotici ne mogu doprijeti do pojedinačnih bakterija; bakterije su različito osjetljive na antibiotike jer se nalaze u različitim životnim fazama; bakterije proizvode različite inaktivatore antibiotika. Osim otpornosti, medicinski je važno što bakterije u obliku biofilma žive na različitim medicinskim pomagalima (kateteri, stentovi, respiratori) i kao takve su izvor teško iskorjenjivih bolničkih infekcija. Također je važno što se bakterije koje žive u obliku biofilma često teško ili uopće ne mogu uzgojiti u laboratoriju na klasične načine. No, tehnološki napredak nam je omogućio da pomoću metagenomike možemo iz bilo kojeg okolišnog ili biološkog uzorka, a na osnovu sličnosti DNA molekula identificirati bakterije u uzorku, a bez potrebe uzgoja (Piel et al.). Prednost metagenomike u odnosu na klasične metode uzgoja je što omogućuje identifikaciju bakterija u kontekstu u kojem bakterije stvarno žive, a ne u umjetnim laboratorijskim uvjetima koji mogu favorizirati rast određenih vrsta iz uzorka, a nauštrb drugih vrsta. Kako metagenomika ne ovisi o uzgoju tako se pomoću nje mogu identificirati i one bakterije koje se ne mogu uzgojiti u laboratorijskim uvjetima. Osim metagenomikom, bakterije se identificiraju i analizom proteina – metaproteomikom i analizom RNA molekula – metatranskriptomikom.