Valóban megéri az együttműködés a baktériumoknak?

Hogyan működnek közre a külön-külön biofilmképzésre nem alkalmas baktériumtörzsek az őket védő hártya kialakítása érdekében? Meddig tart az együttműködés, és mennyire célravezető? Melyik evolúciós stratégia a célravezetőbb a biofilmképzés során: a „termelj többet!” vagy a „változtatás” stratégiája?

Ezeket a kérdéseket vizsgálta egy nemzetközi kutatócsoport, amelynek Maróti Gergely, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont munkatársa is tagja volt.

A tankönyvi ábrák nyomán hajlamosak vagyunk úgy gondolni a mikroorganizmusokra, azokon belül a baktériumokra, mint szabadon lebegő vagy úszó egysejtű élőlényekre. Pedig a baktériumok a védekezés, a kedvező életfeltételek és a közösségi lét előnyeinek kihasználása okán számos esetben egybefüggő, egy felületen összetapadt bevonatot képeznek. Ez a bevonat a biofilm, amelyben a baktériumok általában az általuk termelt extracellurális mátrixba ágyazódva helyezkednek el. Ez az anyag többek között különféle nagy molekulájú szénhidrátokból, azaz poliszacharidokból áll, valamint fehérjéket és sejten kívüli DNS-t tartalmaz. Az extracellurális mátrix összetartja a biofilmet, és megvédi a külső behatásoktól.

A biofilmek élettelen és élő felületeken, természetes, háztartási, ipari vagy kórházi körülmények között egyaránt előfordulhatnak – a lényeg az, hogy a felületet víz borítsa, vizes oldatban ázzon, vagy kellően magas legyen a páratartalom. Néhány példa: a természetben a talajban, a növények felületén a baktériumok többségét biofilmmé szerveződve találjuk. Háztartásokban rendszerint a vízvezetékekben, a csatornában, a fürdőszobában, a zuhanyzóban jelenik meg a biofilm, de fűtő- és klímakészülékekben is. A biofilmmé szerveződött mikroorganizmusok állnak számos krónikus bakteriális fertőzés mögött, és az is kockázatos, ha úgy ültetnek a szervezetbe orvosi eszközt, hogy azon biofilm tapad meg. Egészségügyi szempontból különösen veszélyes, ha a sokféle antibiotikumnak ellenálló, vagyis multirezisztens baktériumtörzsek kórházi infrastruktúrában biofilmet képeznek.

„Ez azért óriási probléma, mert nagyon leegyszerűsítve a baktérium a biofilmképzéssel elsősorban védekezik a számára előnytelen környezetváltozás, a tápanyaghiány, a pH-változások, az oxigénszegény környezet és a nem kellően adagolt antibiotikumok ellen. Így próbál túlélni, saját magát tartósítani. Ilyenkor a biofilm szerkezete miatt sokkal nehezebb hozzáférni a mikroorganizmushoz: egy úszó baktérium sokkal könnyebb antibiotikum-célpontot jelent. Ezért, ha egy kórházi vezetékrendszerben multirezisztens törzsekből álló biofilm alakul ki, az onnan gyakorlatilag kiirthatatlan” – magyarázza Maróti Gergely, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont (SZBK) Növénybiológiai Intézetének tudományos főmunkatársa. A biofilm tulajdonságai ugyanakkor előnyünkre is fordíthatók: a szennyvíztisztítókban a víz szervesanyag-tartalma nagyszerűen kivonható szűrőkre növesztett biofilmek segítségével.

Hogyan alakulnak ki a különféle biofilmek, és milyen tulajdonságaik vannak?

A fenti okokból a téma kutatása jelentősen fellendült az utóbbi húsz évben. Kovács Ákos Tibor, az MTA SZBK korábbi kutatója, jelenleg a Dániai Műszaki Egyetem (DTU) Biomérnöki Tanszékének professzora több mint tíz éve vizsgálja a baktériumok biofilmképzésének különböző aspektusait, elsősorban kísérleti evolúciós területen. Az MTA részéről Maróti Gergely, a Seqomics Biotechnológia Kft. munkatársaként pedig Bálint Balázs vett részt a munkában, a magyarországi partnerek a munka genomikai és bioinformatikai részében vállaltak főszerepet. Lengyel, fülöp-szigeteki, német, mexikói és spanyol kollégákkal közösen írt legfrissebb tanulmányuk októberben jelent meg a Nature Microbiology folyóiratban.

A kutatás során abból indultak ki, hogy a különböző genotípusú, azaz különböző, a biofilmképzésben fontos génekben mutáns baktériumtörzsek egymás mellett élve ki tudják egészíteni egymás mutációit, funkcionális hibáit. Így tulajdonképpen „munkamegosztást” végezve az egyedi törzsekben nem működő funkciók helyreállnak, és a kooperáció révén hosszú távon is fenn tudnak maradni, például úgy, hogy „közösben” alakítják ki a biofilmet. A kutatás fő kérdése az volt, hogy az itt összefoglalt együttműködés valójában mennyire elterjedt, meddig működik az egyes genotípusok közötti munkamegosztás, összeomlik-e, és ha igen, mikor omlik össze a kooperáció.

A Bacillus subtilis által képzett biofilmhez előbb extracellurális mátrixra, ahhoz pedig exopoliszacharidokra és amiloidszerű fehérjékre van szükség. A Kovács Ákos vezette kutatócsoport két mutáns Bacillus subtilis baktériumtörzzsel dolgozott: az egyik csak az exopoliszacharid, a másik csak az amiloidszerű fehérje termelésére volt képes a két összetevő közül. A két törzset egyrészt együttesen, kokultúrában nevelték, hogy az együttműködés megvalósulhasson, másrészt pedig egymástól elkülönítve, azaz monokultúrákban.

Összeomlás

„Amikor a kísérlet elindul, eleinte egyik mutáns baktériumtörzs sem képes biofilmet képezni. Egyébként a baktériumok életképesek, de amikor valamilyen oknál fogva csökken az oxigénszint, akkor szükség van a biofilmképzésre mint stresszre adott válaszra. A kokultúrában tartott mutáns törzsek között rövid távon hatékony együttműködés alakul ki, a biofilmképzés stabilan, jól megvalósul. A meglepetés akkor következett be, amikor néhány transzfer után a biofilmképzés hatékonyságának jelentős csökkenése volt megfigyelhető. Ez egy átmeneti időszak erejéig így is maradt, ám utána újra jelentősen megnőtt a biofilmtermelés. A baktériumpopuláció genetikai jellemzőit megvizsgálva pedig az derült ki, hogy itt már nem kooperációról van szó, hanem az egyik mutáns populáció adaptációjáról. Mi történt, miért omlott össze az együttműködés? Azért, mert nem marad meg az egyensúly: a kooperáció során a két genotípus nem tud egyformán növekedni, s tulajdonképpen az egyik túlnövi a másikat” – számol be a kutatási folyamatról Maróti Gergely.

„A kutatás lényegében azt bizonyította be, hogy a kooperáció egészen könnyen összeomolhat. Sőt, hosszú távon a baktériumtörzsek számára hasznosabb, ha a biofilmképzésre nem képes mutánsok végül maguk fejlesztik ki újra a biofilmképzés képességét. Ezt az bizonyítja, hogy az egymástól elkülönített mutáns törzsek evolúciós léptékben mérve hamarabb alakulnak át funkcionális biofilmképző szervezetekké, mint az induláskor együttműködésben élő mutáns törzsek” – magyarázza a kutató.

A kooperációban élő törzseknél pedig azért esett vissza átmenetileg a biofilmtermelés, mert amikor felborult az egyensúly a két genotípus között, az extracelluláris mátrixban nem volt megfelelő arányban a két összetevő, az exopoliszacharid és az amiloidszerű fehérje. Viszont miután a poliszacharid-termelő genotípus teljesen kiszorította a fehérjetermelőt, egy sajátos adaptációs mechanizmus révén (lásd alább) újra kialakította a funkcionális az extracellurális mátrixot, azaz újra beindult a biofilmképzés.

Ha a biofilm a cél, az együttműködés kevésbé hatékony

A kísérletben az esetek túlnyomó többségében az amiloidszerű fehérje termelésére nem képes, exopoliszacharid termelésére viszont képes genotípus nőtte túl a másikat. Ebből nagyon leegyszerűsítve az következik, hogy a biofilmképzéshez ez utóbbi előállítása a fontosabb; a másik tanulság az, hogy az együttműködés kevésbé hatékony a biofilmképzés kialakulása szempontjából.

A kutatók megfigyelése szerint a két mutáns baktériumtörzs teljesen más stratégiával állítja vissza a biofilmképző funkciót: az egyik a változtatás, a másik a termelj többet! stratégiája. Azt is megfigyelték, hogy a sikeresebb, a másikat legtöbbször túlnövő batériumtörzsre – amelyik egyre több poliszacharidot termelt – ez utóbbi stratégia volt a jellemző, vagyis a Bacillus subtilis esetében és az extracellurális mátrix kialakítása során a termelj többet! stratégiája bizonyult kifizetődőbbnek.

A kísérlet egyik érdekes részeredménye az volt, hogy a genetikai szintű változások jóval precízebben megfigyelhetők voltak a változtatás stratégiáját követő, poliszacharidok termelésére nem képes baktériumtörzs esetében. E törzs úgy lett képes ismét biofilmet termelni, hogy megváltoztatta az extracelluláris mátrix egyik fő összetevője, az amiloidszerű fehérje szerkezetét.

„Két, egyaránt az aminosavsorrendet megváltoztató pontmutáció következett be a leggyakrabban, melyek egy tirozin és egy glicin helyett is ciszteint eredményeztek az adott pozíciókban. Ez a biofilmképzés szempontjából azért volt előnyös, mert a ciszteintartalmú fehérje sokkal jobban tudott polimerizálódni, így volt lehetséges megfelelő szerkezetű, merevségű extracellurális mátrixot képezni poliszacharidok nélkül is.” Természetesen a fehérjéből álló biofilm textúrája és morfológiája nem ugyanolyan, mint a normál biofilmé, de – és ez volt a kutatók számára fontos – mégis jól funkcionált, a baktérium ismét elérte a biofilmtermelő képességet. A termelj többet! stratégia mentén működő baktériumtörzs esetében pedig azt figyelték meg a kutatók, hogy minden egyes nagy gyakorisággal azonosított mutáció a több poliszacharid előállításában nyilvánult meg.

Miért pont a Bacillus subtilis volt a vizsgálat tárgya? Ez a baktérium könnyen nevelhető, könnyen kezelhető, géntechológiai szempontból is jól manipulálható, vagyis könnyű belőle mutáns törzseket előállítani, ráadásul ipari szempontból is fontos Gram+ modellbaktérium (gyakran enzimtermelésre is használják). Gyorsan nő, nagy biomasszát tud képezni, részleteiben ismert a genomja és az egyes gének által kódolt fehérjék funkciói.

Ráadásul a baktériumok a kísérleti evolúciós kutatások ideális modellszervezetei. E szervezetek esetében nagyon szűk az evolúciós időskála, a laboratóriumban praktikusan fel lehet gyorsítani az evolúciót.

„A baktériumok szaporodási rátája gyors: a generációk közti idő mindössze néhány óra, míg egy magasabb rendű szervezetnél, például egy növénynél években mérjük ugyanezt. Tíz-húsz-ötven generáció pedig már evolúciós időskálát jelent; baktériumok esetében ez néhány nap, maximum néhány hónap alatt lefut, sőt ilyen időtávban akár több száz vagy ezer generációról is beszélhetünk” – teszi hozzá Maróti Gergely.

A kísérletben szükséges genomikai vizsgálatokat az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpontban és a mórahalmi Seqomics Biotechnológia Kft.-ben végezték a kokultúrákban, illetve a monokultúrákban nevelt baktériumtörzseken. A kokultúrákban mennyiségi szempontból is vizsgálták a két genotípus jelenlétét, és azonosították azokat a mutációkat, amelyek az egyes generációkban az adaptáció során kialakultak, vagyis nyomon követték, hogy genetikai szinten mi változott meg ahhoz, hogy újra képes legyen biofilmet képezni az ebben hibás baktériumtörzs. A kutatás a Dániai Műszaki Egyetem, a Jénai Egyetem, a Müncheni Műszaki Egyetem, a spanyol Nemzeti Biotechnológiai Központ, a Marburgi Egyetem, a Seqomics, valamint az MTA SZBK együttműködésében valósult meg.

Forrás: https://napidoktor.hu/index