W porównaniu do roślin i zwierząt bakterie mogą wydawać się nieciekawe. Niesłusznie!

„Wybrałem się na wybrzeże w Schlevelingen, wiatr wiał od strony morza i słońce przygrzewało; oglądając uważnie wodę, spostrzegłem żyjące w niej różnorodne zwierzęta. Dałem mężczyźnie idącemu do morza, by się umyć, nową butelkę, kupioną specjalnie w tym celu, instruując go, by przebywając w morzu, najpierw przemył ją dwukrotnie lub trzykrotnie, a następnie wypełnił wodą morską; gdy moja chęć została spełniona, zatkałem dokładnie butelkę umytym pęcherzem” – napisał 27 lipca 1675 r. Antoni van Leeuwenhoek.

Antoni był z zawodu kupcem bławatnym i pewnego dnia postanowił stworzyć soczewkę, która pozwoliłaby mu lepiej oceniać jakość płótna. Z czasem osiągnął w tym taki kunszt, że zaczął konstruować pierwsze na świecie mikroskopy i obserwować coraz ciekawsze obiekty. Po odkryciu maleńkich żyjątek, które nazwał animalcula, poszukiwał ich we wszystkich dostępnych mu miejscach – oglądał pod mikroskopem nie tylko morską wodę zbieraną na nadbrzeżu w Schlevelingen, ale też kości, mięso, napar z goździków, głowy much i oczy wielorybów. Aby przekonać uczonych z Towarzystwa Królewskiego o prawdziwości swoich odkryć, zatrudnił rysownika. Ten jako pierwszy w historii uwiecznił poruszanie się stworzeń jednokomórkowych uznawanych dziś za pierwotniaki i bakterie. „Ruch wielu z tych żyjątek w wodzie był tak zwinny, z wzlotami, pikowaniem i obrotami, że cudownie było to oglądać”.

Z czasem ruch bakterii stał się jednym z najlepiej poznanych zachowań w biologii. Prowadzenie badań nad ich sposobami przemieszczania się i poznawania świata nie było już uzasadnione jedynie czystą ciekawością. Wiele z bakteryjnych „zmysłów” i zdolności okazało się kluczowych dla powstawania i rozwoju niebezpiecznych chorób.

Podróże małe i duże

Spojrzenie na świat z perspektywy bakterii może się wydawać niewykonalnym zadaniem. W przypadku mikroorganizmów trudno mówić o zmysłach. Poznawanie świata dla większości z nich ogranicza się do reagowania na substancje chemiczne obecne w otoczeniu. Receptory bakterii rozpoznają składniki odżywcze, jony niezbędnych do życia pierwiastków, a nawet pozwalają na odbiór sygnałów chemicznych od innych bakterii. Trudno się zatem dziwić, że ruch bakterii to zazwyczaj chemotaksja – poruszanie się w kierunku korzystnego dla niej związku chemicznego (na przykład pożywienia) albo uciekanie przed niebezpieczną substancją (na przykład antybiotykiem).

Escherichia coli to bakteria występująca w układzie pokarmowym człowieka. Niektóre z jej odmian wywołują choroby jelit, jednak większość nie jest groźna dla zdrowia. E. coli ma podłużny kształt i posiada około pięciu długich rzęsek. Każda z nich może się obracać, działając jak śruba okrętowa. Rzęski poruszają się w sposób skoordynowany – tak że bakteria płynie przez dłuższy czas w tym samym kierunku – lub chaotycznie – bakteria wykonuje wtedy mało zgrabny obrót. Nie wszystkie bakterie są zdolne do ruchu w taki sposób, ale dla E. coli jest to wyjątkowo korzystne: nie potrafi ona tworzyć form przetrwalnikowych, więc jej przeżycie zależy od sprawnego znajdowania pokarmu i ucieczki przed niebezpieczeństwem.

Wyobraźmy sobie, że idziemy przez miasto i nagle z jednej z bocznych uliczek czujemy zapach pizzy. Nawet gdybyśmy szli z zamkniętymi oczami, to dzięki porównaniu natężenia zapachu między prawą a lewą stroną naszego ciała oraz pamięci, w której być może zapisany jest układ ulic w mieście, nasz mózg jest w stanie w końcu zlokalizować źródło zapachu. Escherichia jest jednak na tyle mała, że z każdej strony do jej receptorów dociera podobna ilość cząsteczek związku, na który reagują. Nie jest możliwe zatem, by „wyznaczyła sobie” tor ruchu podobną metodą geometryczną.

Zamiast tego E. coli przemieszcza się w podobny sposób, co osoba grająca w ciuciubabkę. Poruszając miarowo rzęskami, płynie w ustalonym kierunku, a jej receptory na bieżąco monitorują zawartość różnych związków chemicznych wokół komórki. Kiedy otoczenie stanie się dla niej niekorzystne – zawiera mało składników odżywczych albo antybiotyk – rzęski bakterii gwałtownie wierzgają, co powoduje obrót. W ten sposób bakteria koryguje kierunek ruchu i losowo obiera nową drogę. Jeśli nadal będzie ona wiodła przez niekorzystny teren, to sygnał z receptorów doprowadzi do kolejnego obrotu.

Kierunkowskaz

Za ten proces odpowiada prosty mechanizm oparty na współpracujących ze sobą białkach enzymatycznych. W skład tego zestawu wchodzą: receptor, regulator odpowiedzi i wyłącznik regulatora odpowiedzi (w tym przypadku jest to enzym nazywany fosfatazą). Kiedy E. coli płynie prosto, wszystkie jej rzęski obracają się w tę samą stronę, a do receptorów przyłączają się pływające w otoczeniu cząsteczki. Jeśli z receptorem łączy się antybiotyk albo nie łączy się wystarczająco dużo składnika odżywczego, to uruchamia się alarm. Receptor przekazuje chemiczny sygnał do regulatora odpowiedzi. Regulator działa szybko, żeby rozwiązać problem – przyczepia się do rzęsek, powodując ich obrót w przeciwnym kierunku, dzięki czemu bakteria wykonuje fikołka. Jednak reakcja nie jest jeszcze zakończona. Bakteria musi przestać się obracać i popłynąć prosto w nowym kierunku. Obrót kończy wyłącznik, który momentalnie dezaktywuje regulator, dzięki czemu rzęski znowu poruszają się we wspólnym rytmie.

Warto zauważyć, że działanie tej sieci jest właściwie niezależne od rodzaju związku wykrywanego przez receptory. Ten sam regulator koordynuje ucieczkę przed antybiotykiem i poszukiwanie związków odżywczych. Z punktu widzenia oszczędności energetycznej jest to bardzo korzystne. Być może jeśli jakaś odmiana E. coli miałaby się dostosować do unikania nowego antybiotyku, to wystarczyłoby jej wytworzyć nowe receptory, a regulator i wyłącznik pozostałyby takie same.

Uciec z pułapki

Nie da się jednak zajść daleko, grając w ciuciubabkę. Gdyby bakteryjny system sterowania składał się wyłącznie z receptora, regulatora i wyłącznika, to pozwalałby tylko na reakcję na obecny stan rzeczy, bez możliwości pamiętania przeszłości i przewidywania przyszłości. Natomiast bakterie często poruszają się w środowiskach, które w ogóle nie przypominają jednorodnej laboratoryjnej szalki – na przykład wewnątrz ciała człowieka albo po gnijącej leśnej ściółce. Wyobraźmy sobie, że bakteria (prawdopodobnie nie byłaby to E. coli) płynie przez warstwę ściółki, w której występują też wydzielające antybiotyki grzyby. Jeśli natrafi na antybiotyk, to nie ma żadnego sposobu, by określić, czy produkujący go grzyb wypadł z koszyka nieuważnego grzybiarza, czy właśnie znalazła się w samym środku zabójczej sieci strzępek.

W pierwszym przypadku nie ma się czym przejmować, w drugim należałoby jak najbardziej wyczulić receptory na antybiotyk, by uciec z pułapki. E. coli to potrafi! W komórce tej bakterii znajdują się jeszcze dwa białka, które możemy nazwać wzmacniaczem i osłabiaczem receptorowego alarmu. Wzmacniacz to enzym, który chemicznie modyfikuje receptory. Sprawia to, że silniej aktywują one regulator odpowiedzi, a bakteria staje się bardziej wyczulona na sygnały związane ze zmianą kierunku. Osłabiacz działa przeciwnie – usuwa modyfikację wprowadzoną przez wzmacniacz, przez co bakteria jest mniej wrażliwa na chemiczne sygnały.

Osłabiacz i wzmacniacz działają dużo wolniej niż regulator i wyłącznik. Z tego powodu wprowadzane przez nie modyfikacje receptorów określa się czasem chemiczną pamięcią bakterii. Czas, przez który bakteria jest wyczulona albo znieczulona na określony związek, może być nawet kilkukrotnie dłuższy niż jej „spacer”. Co więcej, czas trwania tej pamięci nie zawsze jest taki sam i zależy od różnic między kolejnymi sygnałami docierającymi do receptorów. Obecność osłabiacza i wzmacniacza pozwala zatem precyzyjnie dostosować reakcję do zmieniającej się ilości związku w otoczeniu.

Receptor, regulator i inne towarzyszące im enzymy działają szybko, oszczędnie i niezawodne, więc zostały w toku ewolucji przystosowane również do innych niż chemotaksja celów. Jeden z takich zaskakujących procesów został odkryty właściwie przypadkiem przez pewnego badacza zafascynowanego światłem.

Razem silniejsze

Grzyby, parzydełkowce, żebropławy, wieloszczety, ważki, muchówki, małżoraczki, dwuparce i osłonice – to stworzenia, które w żadnej klasyfikacji taksonomicznej nie stoją blisko siebie. W muzeach historii naturalnej zwykle przydziela im się osobne sale, a nawet piętra. Mają jednak ze sobą coś wspólnego: we wszystkich tych grupach występują gatunki wykazujące zjawisko bioluminescencji, czyli wytwarzające światło. I wszystkie były badane przez Johna Woodlanda Hastingsa. Ten pochodzący ze Stanów Zjednoczonych naukowiec od młodych lat szukał cząsteczek i mechanizmów powodujących emisję światła przez organizmy, co doprowadziło go do zupełnie niespodziewanego odkrycia.

W 1970 r. Hastings wraz z kolegami, Terrym Plathem i Kennethem Nelsonem, próbował wyhodować bakterie Allivibrio fischeri w laboratorium. Allivibrio występują wewnątrz ciał kałamarnic i wytwarza lucyferazę, białko odpowiedzialne za bioluminescencję. Naukowcy zauważyli jednak ciekawe zjawisko. Bakterie Allivibrio jarzyły się niebieską poświatą tylko wtedy, kiedy znalazły się w dużej grupie. Gdy badacze przenosili małe ilości bakterii na szalki ze świeżą pożywką, świecenie ustawało. Oznaczało to, że bakterie przestały produkować lucyferazę.

Z czasem naukowcy doszli do wniosku, że Allivibrio muszą w jakiś sposób rozpoznawać „gęstość zaludnienia” pożywki. Okazało się, że robią to za pomocą mechanizmu do złudzenia przypominającego chemotaksję E. coli. Allivibrio wytwarzają i wydzielają do swojego otoczenia charakterystyczny dla swojego gatunku związek chemiczny nazywany autoinduktorem. Każda z bakterii posiada receptory autoinduktora oraz towarzyszący im regulator odpowiedzi. Kiedy komórka znajduje się w środowisku, w którym znajduje się wiele innych bakterii tego samego gatunku, a więc stężenie autoinduktora jest wysokie, jej receptory uruchamiają regulator odpowiedzi. On z kolei reguluje tutaj nie ruch rzęsek, ale wytwarzanie lucyferazy. Sprawia to, że bakterie Allivibrio świecą dopiero w większej grupie.

Kworum

Badacze nazwali nowo odkryte zjawisko quorum sensing („wyczuwanie kworum”). Niedługo później zaczęli przypuszczać, że ten rodzaj komunikacji między bakteriami może mieć niebagatelne znaczenie dla mikrobów wywołujących choroby. Nie mylili się, do dziś trwają badania nad wieloma bakteriami, które wykorzystują ten mechanizm w wyjątkowo zjadliwy sposób.

Odmiana E. coli O157:H7, zdolna zarówno do chemotaksji, jak i quorum sensing, jest główną bakterią odpowiedzialną za zatrucia pokarmowe na całym świecie. Od komunikacji między bakteriami zależy też wirulencja (czyli zdolność do wnikania do tkanek gospodarza i uszkadzania ich) przecinkowca cholery. Z kolei odpowiedzialna zarówno za gnicie sałaty, jak i ciężkie zakażenia szpitalne bakteria Pseudomonas aeruginosa wykorzystuje quorum sensing do komunikacji wewnątrz biofilmu, czyli wilgotnego skupiska tysięcy komórek bakterii, do wnętrza którego nie przenikają antybiotyki. Nie wszystkie zastosowania quorum sensing są nam znane, ale wszystkie opierają się na tej samej zasadzie: bakterie wydzielają charakterystyczny dla gatunku związek, rozpoznają go i reagują na niego za pomocą podobnego zestawu białek, co te wykorzystywane w chemotaksji.

Treść nad formą

W porównaniu do roślin i zwierząt bakterie mogą wydawać się nieciekawe. Daleko im do małp o złożonych zachowaniach społecznych i ogromu tropikalnego lasu. Ich wyjątkowość polega raczej na prostocie i osiąganiu celów wspólnych wszystkim organizmom dużo mniejszym kosztem. Do poznawania otoczenia i komunikacji w „stadzie” wystarczy im system złożony z kilku białek, który w razie potrzeby może być też wykorzystany do ataku na inne organizmy. 

Możemy badać takie układy, by znaleźć nowe sposoby leczenia chorób, ale możemy też zastanawiać się, co bakteryjne życie mówi nam o życiu w ogóle. Jak bakterie radzą sobie z ograniczoną ilością informacji? Co zyskują, kiedy zamieszkują w ciele kałamarnicy? Co daje im przebywanie w grupie? Takie pytania z pewnością zaciekawiłyby Leeuwenhoeka, który choć nie wiedział, że patrzy na bakterie, poszukiwał wszędzie animalcula i z pasją obserwował ich życie.