Powstawanie wielokomórkowych biofilmów opartych na współpracy bakterii
Mimo że zwykle bakterie kojarzą nam się z organizmami jednokomórkowymi, intrygujący jest fakt, że większość tych mikrobów wybiera życie w wielokomórkowych zbiorowiskach – zwanych biofilmami. Jak podkreśla Petya Krasteva, tworzą one swego rodzaju mikrobiologiczne miasta, których rusztowania i mury obronne zbudowane są z wydzielanych przez bakterie polimerów, między innymi egzopolisacharydów. „Oznacza to, że bakterie mogą tworzyć względnie stałe środowisko. Mogą chronić się przed szkodliwymi czynnikami zewnętrznymi, w tym odpowiedzią układu immunologicznego gospodarza, co więcej, mogą dokonywać podziału pracy”, mówi Krasteva, kierująca zespołem ds. biologii strukturalnej biofilmów w Europejskim Instytucie Chemii i Biologii – European Institute of Chemistry and Biology (IECB). Co ciekawe, bakterie współtworzące biofilm mogą przeprowadzać „spis mieszkańców” makrokolonii. Kiedy ich liczba przekroczy określone kworum, pozwalające na pokonanie układu odpornościowego gospodarza, są w stanie w odpowiednim czasie wywołać ekspresję wirulentnych genów i kolonizować nowe obszary. „Rozpraszanie patogennych zbiorowisk lub zapobieganie tworzeniu się wielokomórkowych społeczności bakterii może stanowić alternatywną strategię zastępującą stosowanie tradycyjnych antybiotyków w kontekście przeciwdziałania pojawianiu się i rozprzestrzenianiu »superbakterii«”, wyjaśnia Krasteva, która kierowała projektem BioMatrix przy wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN).
Wyjaśnienie bakteryjnych mechanizmów wykrywania i wydzielania
Zabezpieczenia chroniące makrokolonie bakterii zbudowane są z wydzielanych polimerów. Są to zazwyczaj egzopolisacharydy – bardzo długie łańcuchy cukrowe o różnym stopniu złożoności, ale oprócz nich w strukturach tych można znaleźć także włókna białkowe, a nawet pewien rodzaj pozakomórkowego DNA. Jak podkreśla Krasteva: „Są to niezwykle odporne makrocząsteczki – weźmy na przykład celulozę, której używamy od tysiącleci do wznoszenia naszych budynków lub produkcji wytrzymałych ubrań”. Wprawdzie wydzielanie tych rozmaitych polimerów jest bardzo złożonym procesem rozwojowym, jednak wiele z nich jest aktywowanych przez pojedynczy wewnątrzkomórkowy przekaźnik wtórny, jakim jest cykliczny dinukleotyd c-di-GMP. Projekt BioMatrix koncentrował się na wyjaśnieniu, w jaki sposób niektóre z tych aktywowanych przez c-di-GMP procesów wykrywania i wydzielania polimerów są przeprowadzane w komórce bakteryjnej, a także w jaki sposób prowadzi to do powstawania opartych na współpracy biofilmów wielokomórkowych o złożonej architekturze.
Inżynieria odwrotna w poszukiwaniu słabych punktów biofilmu
Do uchwycenia wysokorozdzielczych obrazów kodowanych białek i kompleksów białkowych zespół projektu wykorzystał przede wszystkim mikroskopię krioelektronową i krystalografię rentgenowską. Dzięki temu uczeni uzyskali to, co w istocie było szczegółowym wzorcem molekularnym badanej nanomaszyny bakteryjnej. Nazywamy to inżynierią odwrotną. „W idealnym przypadku możemy poznać zarówno całościową architekturę maszyny, jak i szczegółową listę wchodzących w jej skład komponentów, więc od tego momentu przypomina to trochę podejście mechanika samochodowego, który rozbiera, a następnie ponownie składa silnik, aby dokładnie sprawdzić, jak on działa, a co ważniejsze, zbadać, co jest niezbędne do jego funkcjonowania”, zauważa Krasteva.
Zakłócanie mechanizmu powstawania biofilmu
Co ważne, identyfikacja kluczowych elementów, jak na przykład pojedynczego aminokwasu w miejscu aktywnym białka, granicy między podjednostkami w większym kompleksie lub motywu regulatorowego na chromosomie bakterii, może być wykorzystana jako wysoce specyficzny cel na potrzeby projektowania związków zakłócających aktywność. Dzięki grantowi udzielonemu przez ERBN uczeni mogli przenieść swoje laboratorium do lepiej wyposażonego instytutu, gdzie uzyskali bezpośredni dostęp do najnowocześniejszej infrastruktury. Pozwoliło im to z powodzeniem realizować założone cele, które pierwotnie były poza ich zasięgiem. „Ponadto miałam dzięki temu możliwość rekrutacji wielu naukowców na początku kariery. Wiele z naszych głównych odkryć było dziełem niezwykłych kobiet – badaczek na poziomie studiów licencjackich, magisterskich i doktoranckich, a także w stopniu doktora – więc jako kobieta pracująca na wydziale zdominowanym przez mężczyzn jestem niezwykle dumna, że mogłam być dla nich motywatorką i mentorką”, dodaje Krasteva.
Słowa kluczowe
BioMatrix, bakterie, kolonizacja, biofilmy, wielokomórkowe, odpowiedź immunologiczna, cykliczny dinukleotyd c-di-GMP, antybiotykooporność
