A baktériumok és az ember sejtjei kitűnően értenek egymás nyelvén

Nincsen túlélhető és fenntartható jövőnk tudomány nélkül, ahogy nekünk sincsen nélkületek. Támogasd a Qubit munkáját!

Attól kezdve, hogy a lencsecsiszoló németalföldi tudós, Anton van Leeuwenhoek az 1600-as években mikroszkópjába nézett, és először meglátta az egysejtű mikroorganizmusokat, a tudomány évszázadokig önálló, kevéssé kifinomult, kommunikációképtelen lényeknek gondolta a baktériumokat. Csak ötven éve fedezték fel, hogy egyes baktériumok nagyon is képesek együttműködni: olyan hormonszerű hírvivő anyagokat állítanak elő, amelyek koncentrációját érzékelve tudják, hogy elegen vannak ahhoz, hogy támadjanak. A quorum sensing-nek, azaz küszöbdenzitás-érzékelésnek elnevezett kommunikációs mechanizmus megspórolja a baktériumoknak, hogy erőforrásaikat feleslegesen felhasználva azelőtt rohanják le ellenfelüket, mielőtt esélyük volna megölni, megenni (a quorum szó eredeti jelentése határozatképesség, illetve az ahhoz szükséges többség).

A felfedezést kelletlenül fogadta a tudósközösség, és sokáig az volt az elképzelés, hogy legfeljebb néhány speciális baktériumfaj lehet képes a kommunikációra. A 2000-es években azonban kiderült, hogy a legtöbb baktérium nemcsak népszámlálni tud, de olyan komplex kommunikációs rendszerrel bír, amivel a saját fajtáján kívül a jóval fejlettebbnek számító eukariótákkal és az emberrel is információt cserél. A kommunikációban használt hormonokra válaszul a baktériumokban akár több száz gén is be- vagy kikapcsolódhat. A hírvivő hormonok és érzékelő receptoraik révén különböző fajtájú baktériumok is képesek szövetséget kötni, és a növényekhez, állatokhoz hasonlóan többsejtű szervezetbe rendeződni. A többsejtű bakteriális szervezet orvoslásban különösen fontos példája a biofilm: az általuk termelt nyálkába burkolózva a baktériumok az antibiotikumoknak ellenálló rétegeket alakíthatnak ki többek között az ember húgyhólyagjában, szívbillentyűin, a szervezetbe épített protéziseken vagy a kórházi felületeken. Mivel a közelmúltig nem vettük komolyan a baktériumok szociobiológiáját, egyelőre kevés eszközzel rendelkezünk az ilyen krónikussá váló fertőzések kezelésére.

Csalók, hallgatózók, szimbionták

Ma már divatos témának számít a quorum sensing, sőt a mikrobiológusok között egyenesen aranyláz tört ki: nagy erőkkel keresik a bakteriális kommunikációt befolyásoló szereket. Így ismerünk olyan anyagokat is, amivel egyes megtámadott növények, gombák és állatok blokkolni tudják a bakteriális hírvivőket (bőséges inhibitorforrás a vörös makroalga – Delisea pulchra –, a borsó, a szójabab, a fokhagyma és a Penicillium-gombák), és potenciális orvosi alkalmazás lehet egy érdekes technika: a kórokozó baktériumpopuláció meggyengítése csalók becsempészése révén. 

Vannak ugyanis olyan csaló baktériumok, amelyek részt vesznek a népszámlálásban, de a támadás során nem termelik azokat az molekulákat, amelyekkel a megtámadott legyőzhető. Ezzel a csalók megspórolják maguknak az energiaigényes fegyver-előállítást, de részesülnek a haszonból, ha elég támadó baktérium van körülöttük. Ha az arány a túl sok csaló felé billen – és ebben a kísérleti stádiumban lévő módszerekkel az ember is segíthet –, a többiek feleslegesen elhasználják erőforrásaikat, és a baktériumkolónia elpusztul. (Olyan csalási stratégia is van – spiteful, azaz gonosz viselkedésnek hívják –, amikor az egyik baktériumfaj egyedei úgy manipulálják a másikét, hogy felesleges kommunikációra késztetve őket elhasználtatják erőforrásaikat.)

A szociobakteriológia után 2017-ben a szociovirológia is megszületett: ekkor derült ki, hogy a sokak által még élőnek sem tartott vírusok is képesek kommunikálni egymással. 2018 óta pedig már azt is tudjuk, hogy a vírusok együttműködve képesek legyőzni a baktériumok ellenük kifejlesztett immunrendszerét, a napjainkban az ember által génszerkesztésre használt CRISPR-rendszert. 

2019 sem telt el óriási meglepetés nélkül: ekkor publikálta az amerikai molekuláris biológus, Bonnie Bassler, hogy egyes vírusok képesek kihallgatni a baktériumok egymás közti kommunikációját. A bakteriális quorum sensing feltárásában is alapvető szerepet játszó Bassler online genetikai adatbázisokban keresve felfedezte, hogy egy kolerabaktériumot fertőző vírus is rendelkezik quorum sensing-receptorral, és annak segítségével dönti el, hogy szaporodik és megöli a baktériumot, vagy visszahúzódik és várakozó állapotba helyezkedik: ha a vírus elegendő kolerabaktériumot számol össze, érdemes szaporodnia. Bassler és munkatársai azt is kiderítették, hogy a vírus nemcsak hallgatózásra képes (azaz nemcsak receptorral rendelkezik), hanem hírvivő molekulákat is elő tud állíttatni, amelyek révén manipulálhatja a baktériumot.

A baktériumok széles körű kommunikációs képességének felfedezése az emberrel együttműködő baktériumok kutatását is forradalmasította. A főleg a bélrendszerben (de a húgy- és ivarszervekben vagy a fül és a szem nyálkahártyáján) élő szimbionta baktériumokról felfedezésük után sokáig azt gondoltuk, hogy a táplálékkal bekerült bonyolult szénhidrátok egyszerűbb molekulákra bontása és fermentálása a feladatuk, majd kiderült, hogy alapvető szerepet játszanak az ember immunrendszerének érésében, a kórokozók elleni harcban, sőt a viselkedést, hangulatot is befolyásolják. Akár úgy is tekinthetünk magunkra, hogy a 40 billió (4×1013) humán és a közel annyi bakteriális sejt együttműködéséből kialakuló hiperorganizmus vagyunk (baktériumaink genetikai anyagának információtartalma akár 150-szerese is lehet a humán genoménak).

Folyamatosan cirkulál a genetikai anyag

Hogyan vesznek részt szimbionta baktériumaink immun- és idegrendszerünk alakításában? A tudósközösséget kifejezett sokként érte,  amikor kiderült: a baktériumok részben azokat a hormonokat használják kommunikációra – képesek előállítani és receptoraikkal érzékelni őket –, amelyekről addig azt képzeltük, hogy azokkal csak a magasabb rendű, gerinces állatok sejtjei kommunikálnak. A baktériumok is használják például az emberben stressz hatására felszabaduló adrenalint, az idegrendszerünkben termelődő (és antidepresszáns vagy antiparkinzon szerként is alkalmazott) szerotonint vagy dopamint, az alvást segítő és élénk álmokat előidéző melatonint. 

A bakteriális kommunikáció kutatásával párhuzamosan az is kiderült, hogy az emberi hormon-, valamint immun- és idegrendszer sejtjei is ugyanazon a nyelven beszélnek: ugyanazokat a molekulákat használják az információcsere során. A hormonok egyben neurotranszmitterek is, és például az érzékelő receptorok a bakteriális fertőzésekkel szemben is védenek: az orr keserűreceptorai nem a szaglást szolgálják, hanem a kórokozó baktériumok egymás közti kommunikációját érzékelve beindítják az immunvédekezést, míg az orr édesreceptorai leállítják azt – ha ugyanis az orrnyálkahártyában érzékelik a normálisan jelenlévő kis mennyiségű cukrot, az azt jelenti, hogy nincsenek jelen a cukrot elfogyasztó kórokozók.

A jelenlegi elképzelés szerint a baktériumok nem véletlenül használják ugyanazt a nyelvet, amit az emberi hormon- és neuroimmunrendszer, sőt az állati hormonok nagy része egyenesen a baktériumoktól származik: az evolúció során tőlük kaptuk. A horizontális géntranszfer nevű jelenségre másfél milliárd éve, az állatok és a gombák szétválásának idején kerülhetett sor; őseink ekkor vehették át baktériumoktól (horizontálisan, azaz nem a szülőktől, vertikálisan örökölve) a közös hormonok és receptoraik génjeit, a baktériumok pedig manapság is ugyanezzel a folyamattal cserélgetik egymás között például az antibiotikum-rezisztenciáért felelős géneket. A horizontális géntranszfer következtében a különböző fajok között olyan sok egyéb gén is kicserélődött az evolúció során, hogy a pángenom elméletet megalkotó mikrobiológus, Victor Tetz egyenesen azt állítja: a bioszféra nem fajokból és egyedekből áll, hanem a folyamatosan cirkuláló genetikai anyag összekapcsolt hálózata alkotja.

Génmérnökök és genombányászok

A quorum sensing gátlása és a csalók becsempészése mellett a kutatók számos egyéb érdekes terápiás próbálkozást alapoznak a bakteriális kommunikáció manipulálására. A fent említett Bassler és munkatársai az általuk felfedezett hallgatózó vírust alakították át génmérnöki eszközökkel. A vírus eredetileg csak a kolerabaktériumok üzeneteit tudja lehallgatni, de a kutatók úgy módosították, hogy az emberre veszélyes más fajokat (Salmonella és E. coli) is értsen. Amikor a génmódosított változat olyan molekulákat detektál, amelyeket csak ezek a baktériumok használnak kommunikációjuk során, megöli őket. A véletlenszerűen felfedezett vírus programozható gyilkossá alakult, amit más baktériumokra is rá lehet uszítani – ajándék az evolúciótól, mondják a kutatók.

Óriási lehetőséget jelent a baktériumok által a többi baktérium és egyéb kórokozók ellen használt sok százezer molekula megismerése és terápiás célú felhasználása is (csak a Streptomyces fajba tartozó baktériumok 300 000 féle antibiotikum termelésére lehetnek képesek). A nehézséget az jelenti, hogy bár ismerünk antibiotikum termelésére serkentő hormonokat, ezek zömmel labilis molekulák, és csak akkor termelik őket a baktériumok, ha megtámadják őket. Ráadásul a baktériumokat sokszor lehetetlen laboratóriumban tenyészteni. A megoldáshoz most amerikai kutatók genom-bányászattal jutottak egy nagy lépéssel közelebb. Az Illinois-i Egyetem professzora, Satish Nair és munkatársai először kifejlesztettek egy módszert, amivel nagy mennyiségben lehet előállítani egy antibiotikum termelésére serkentő és stabil bakteriális hormont, majd a molekulaszerkezet feltárására alkalmas röntgen-krisztallográfia segítségével vizsgálták meg, hogy a hormon hogyan kötődik receptorához, illetve a receptor hogyan kötődik a baktérium DNS-éhez (a receptor a baktérium DNS-én helyezkedik el, és leválik, ha a hormon hozzákötődik, ezáltal az antibiotikumtermelésért felelős gén felszabadul a gátlás alól). A hormon, a receptor és a DNS kötődésének feltérképezésével meg lehetett állapítani, hogy melyek azok a receptorrészek, amelyek más hasonló hormonok receptorai esetében is azonosak lehetnek (azaz állandó strukturális elemek, nem a speciális hormon kötéséért felelős részek).

A továbbiakban Nairék genetikai adatbázisokban kutattak olyan baktériumfajták után, amelyek örökítő anyagukban hordozzák a receptor állandó strukturális elemeinek létrehozásáért felelős DNS-darabokat. Mivel a vizsgált hormon és receptora egy olyan baktériumfajtából származik, amelynek segítségével már számos rákellenes és antibiotikus szert sikerült előállítani, a kutatók reményei szerint az így talált további 90 baktériumfajta is leendő gyógyszermolekulák gazdag választékának termelésére képes. 

Ha tetszik, amit csinálunk, ha te is fontosnak tartod, hogy magyar nyelven legyen egy okos és közérthető lap, ami nem a politikai barikádok csatazajáról tudósít, hanem a ránk váró – bátran mondjuk ki, ez az év is megmutatta, mennyire nem túlzás ez – civilizációs kihívásokkal foglalkozik, ami fel meri tenni a jövőnkkel kapcsolatos igazi kérdéseket, és meg is mutatja a modern tudomány válaszait mindezekre, nos ha ez szerinted is olyan égetően fontos, ahogy mi gondoljuk: heroikus munkát végző öt újságíróval, sok tucatnyi kutatóval és csak egy egészen kicsi kiadóval a hátunk mögött, akkor támogasd a munkánkat rendszeresen – számít a segítséged!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: