Wojny genów

Cząsteczka DNA odpowiada nie tylko za informację genetyczną organizmu. Lepka i śmiercionośna, bywa wykorzystywana jako broń podczas starcia z patogenami.

21.01.2019

Czyta się kilka minut

W Indonezji: modliszka, siedząca na gałązce winorośli, zaczyna właśnie lunch. / LESSY SEBASTIAN / SOLENT NEWS & PHOTO AGENCY / EAST NEWS
W Indonezji: modliszka, siedząca na gałązce winorośli, zaczyna właśnie lunch. / LESSY SEBASTIAN / SOLENT NEWS & PHOTO AGENCY / EAST NEWS

Któż nie słyszał o DNA. Ta helikalna cząsteczka, która niesie informację genetyczną, jest jak biochemiczna książka kucharska. Obecna w większości komórek organizmów żywych, zawiera przepisy, które mówią o tym, jak mają wyglądać białka – cząsteczki budujące wszystko, co żywe, i regulujące wiele życiowych procesów.

Niewiele osób zdaje sobie sprawę, że DNA może znaleźć się poza komórką i również tam pełnić specjalne funkcje. Tak dzieje się podczas infekcji naszego organizmu przez bakterie. Wówczas materiał genetyczny staje się bronią, która wytaczana jest na fronty walki przez obie strony konfliktu – zarówno nasze ciało, jak i patogenne mikroorganizmy.

Na polu bitwy

Przyzwyczailiśmy się do tego, że materiał genetyczny znajduje się w jądrze komórkowym. Może być ono okrągłe, owalne albo wyglądać jak krótki sznurek koralików. Ostatni kształt obserwujemy u komórek odpornościowych zwanych neutrofilami. Te niewielkie, około 10-mikrometrowe komórki (to jedna setna milimetra) należą do pierwszej linii obrony w walce z bakteriami i mikroskopijnymi grzybami, którym udało się przedrzeć przez bariery chroniące nasz organizm. Czyli np. skórę, która, jak wiadomo, czasem może zostać zraniona.

DNA, kryjące się w jądrze komórkowym neutrofili, jest nawinięte na rdzeń zbudowany z białek – histonów. Tak samo jest w przypadku każdej innej komórki naszego organizmu. Dzięki temu komplet cząsteczek DNA, które mają w sumie ok. 2 m długości, można upakować w niewielkiej przestrzeni jądra komórkowego. U bakterii wygląda to nieco inaczej. Główna część materiału genetycznego leży w przestrzeni nieosłoniętej jądrem, zwanej nukleoidem. Ich cząsteczka DNA jest również zwinięta, ale nieco luźniej, bo w kilkadziesiąt pętli.

Gdybyśmy dodali do wyizolowanych z krwi neutrofili bakterię i spojrzeli przez mikroskop, moglibyśmy zobaczyć, że kontaktujące się z patogenem komórki odpornościowe zachowują się inaczej niż wtedy, gdy pływają w próbówce same. Po pewnym czasie otacza je coś na kształt chmury złożonej z cząsteczek DNA, która przy poruszeniu szkiełkiem mikroskopowym rozciąga się w długie pasma. Z kolei hodując bakterię z ludzką tkanką, np. nabłonkiem, zobaczylibyśmy, że mikroorganizmy kładą się na jej powierzchni. W przestrzeniach pomiędzy ich warstwami także rozpoznalibyśmy rozsiane cząsteczki materiału genetycznego.


Czytaj także: Łukasz Sakowski: Zmiany w spadku


W obu przypadkach można pomyśleć, że to nic dziwnego. Przecież neutrofile mogą ginąć na froncie walki, więc to, co znajduje się wewnątrz tych komórek – np. DNA – musi wyciec na zewnątrz. W przypadku bakterii najprawdopodobniej rozumowalibyśmy podobnie, tłumacząc, że nasz nabłonek produkuje jakieś substancje zabijające bakterie, które zbliżyły się do niego na niebezpieczną odległość. W zasadzie to prawda, ale istnieje także inny mechanizm tłumaczący pojawienie się DNA na zewnątrz neutrofili i bakterii.

Bratobójczy ogień

Rozpatrzmy pierwszą sytuację. Komórki odpornościowe w kontakcie z bakteriami mogą ginąć także celowo. Ta śmierć nie idzie na marne, ponieważ dzięki niej neutro­file chronią życie organizmu jako całości. Istotną rolę w walce o nasze zdrowie odgrywa właśnie DNA, które w momencie zagrożenia pojawia się na zewnątrz komórki. Gdy neutrofil zwęszy bakterie, otoczka jego jądra komórkowego rozpada się, a cały materiał genetyczny miesza się z różnymi cząsteczkami, które mają zdolność do zabijania intruzów. Cząsteczka DNA staje się dla nich rusztowaniem. Następnie całość zostaje wyrzucona na zewnątrz w postaci sieci. W takiej pułapce udekorowanej biochemicznymi bombami, łapane i zabijane są mikroorganizmy.

Również samo DNA ma zdolność do zabijania patogenów. Jego długie cząsteczki mogą oddziaływać z powierzchnią mikroba i prowadzić do jej zniszczenia. Ponadto DNA także koordynuje działanie zabójczych cząsteczek. Np. wiąże się z mikro­bójczą molekułą znaną jako LL-37, transportowaną do wnętrza komórek odpornościowych, którym udało się połknąć bakterię. Tam DNA odłącza się od śmiercionośnej cząsteczki, która pomaga w zabijaniu zjedzonego mikroba.

Jak każda, nawet precyzyjna broń, DNA może zawieść. Dzieje się tak w przypadku chorób autoimmunologicznych, takich jak toczeń rumieniowaty układowy. Jest to jedno ze schorzeń tkanki łącznej, podczas którego dochodzi do niszczenia wielu tkanek i narządów. W przypadku uszkodzenia najważniejszych może nawet zagrażać życiu. U chorych komórki odpornościowe, które czatują na pojawiające się zagrożenia, błędnie rozpoznają nasze tkanki jako obce. Przez tę nieumyślną pomyłkę rozpoczynają wymierzony w nas atak. Jednym z winowajców są opisywane wcześniej neutrofile. Komórki te reagują wówczas tak, jakby cały czas zagrażało nam niebezpieczeństwo – wyrzucają sieci, chcąc powstrzymać domniemanego intruza. Ponieważ nasz organizm nie jest w stanie ich szybko posprzątać, obecność takich „śmieci” zaczyna bardzo przeszkadzać. Porozrzucane DNA rozpoznawane jest jako cząsteczka obca, co powoduje nadciąganie kolejnych posiłków komórek odpornościowych i dalszy rozwój zapalenia.

Altruizm bakterii

Przyjrzyjmy się, jak sprawa wygląda u mikro­organizmów. Ich komórki zazwyczaj nie żyją jako pojedyncze, pływające indywidua. Najczęściej akumulują się na różnych powierzchniach, tworząc tzw. biofilm. Takie struktury mogą być tworzone na powierzchni tkanek, jak w przypadku bakterii Mycobacterium tuberculosis, która powoduje gruźlicę, czy też Streptococcus mutans, odpowiedzialnej za tworzenie płytki nazębnej. Biofilm jest skomplikowaną architektonicznie strukturą, w której budujące ją komórki mikroba pozlepiane są przez cząsteczki, które same produkują. Bakterie zadają sobie trud wznoszenia takiej budowli z prostego powodu. Dzięki niej mają większe szanse na przetrwanie. Biofilm daje dobrą ochronę przed różnymi stresami trapiącymi mikroorganizmy. Całkiem dobrze chroni bakterie przed atakiem komórek odpornościowych albo stosowanymi w terapii antybiotykami. Jedną z cząsteczek, dzięki której mikroorganizmy osiągają taki sukces obronny, jest również DNA.

Skąd on bierze się na zewnątrz bakterii? Jego obecność, podobnie jak w przypadku neutrofili, również jest wynikiem celowej śmierci. Część z mikroorganizmów jest w stanie poświęcić swoje życie dla dobra „stada”. Umierające bakterie zostawiają swoje DNA, dzięki czemu pozostała część komórek może go wykorzystać. Staje się fundamentem, na którym budowane są biofilmy. Taki „altruizm” u bakterii nie jest czymś nadzwyczajnym z ewolucyjnego punktu widzenia, ponieważ poszczególne komórki bakteryjne to w dużej mierze swoje własne klony. Na śmierci altruistów korzystają ich bardzo bliscy krewni albo wręcz bliźniacy.

Wiązanie mikroorganizmów do tkanki (np. nabłonka układu pokarmowego) jest wypadkową wielu zdarzeń leżących na pograniczu biochemii i fizyki. Istotną rolę odgrywają w nim zarówno ładunki oddziałujących partnerów, jak i znajdujące się na nich pasujące do siebie cząsteczki. Zewnątrzkomórkowe DNA sprawia, że takie spotkanie zachodzi sprawniej. Z praw fizyki wynika, że mniejsze komórki łatwiej przyczepiają się do powierzchni niż większe. Dlatego też te duże mogą wymagać pomocy, jeśli chcą wydajnie zainfekować tkanki. Ze wsparciem przychodzi właśnie DNA. Materiał genetyczny jest w stanie oblepić mikroba w taki sposób, że rozciąga swoje nici nawet na długość ok. 300 nanometrów od jego powierzchni. To wystarczy, aby pokonać odpychające oddziaływania między mikroorganizmem a tkanką, które pojawiają się na początku całej operacji.


Czytaj także: Anna Bartosik: Modele i awatary


DNA jest również odpowiedzialne za zlepianie mikrobów między sobą. W ten sposób pomaga w utrzymaniu nienaruszonej struktury biofilmów. Kiedy sztucznie usuniemy cząsteczkę DNA z otoczenia komórek, możliwość tworzenia tych skomplikowanych struktur będzie zahamowana. Gdy dodamy go do próbówki zawierającej bakterie, zobaczymy, że bakterie agregują sprawniej. Co ciekawe: może to być nawet DNA pochodzenia innego niż bakteryjne. Dla mikroorganizmów nie ma to większego znaczenia.

Tarcza z jonów

Komórki żyjące w społeczności biofilmu są także bardziej oporne na działanie anty­biotyków niż te, które pływają swobodnie. Można by pomyśleć, że wynika to tylko z nabywania przez bakterie oporności na skutek przekazywania sobie odpowiednich genów między sąsiadującymi komórkami (bakterie potrafią to robić – to tzw. horyzontalny transfer genów). Jednak DNA chroni przed antybiotykami także w sposób inny niż ściśle genetyczny. Ponieważ cząsteczka DNA posiada zdolność do wiązania dodatnio naładowanych jonów, może bezpośrednio chronić biofilm poprzez wiązanie antybiotyków o takim właśnie ładunku. Wykorzystuje to m. in. Pseudomonas aeruginosa, który jest jedną z najgroźniejszych bakterii powodujących zakażenia wewnątrzszpitalne. Zewnątrzkomórkowe DNA sprawnie wyłapuje antybiotyki z grupy aminoglikozydów, które są w stanie uszkodzić mikroorganizm w taki sposób, że wyciekają z niego cenne składniki odżywcze. To jednak nie wszystko. DNA może chronić komórki bakteryjne w jeszcze bardziej wymyślny sposób. W tym przypadku cząsteczka wiąże nie antybiotyk, ale naładowane dodatnio jony magnezu. Ich niedobór zmusza komórki bakterii do uruchomienia mechanizmów, które maskują pewne, ujemnie naładowane cząsteczki na swojej powierzchni. Dzięki temu lek o ładunku dodatnim z trudem je atakuje.

Jednak w tym przypadku DNA również może zawieść. Kiedy w biofilmie jest go za dużo, może dojść do nadmiernego usuwania jonów magnezu oraz wapnia z powierzchni bakterii, co powoduje rozerwanie i w rezultacie śmierć mikroba.

Mikroskopowy świat skrywa wiele tajemnic, które odkrywane stopniowo zmieniają dawne spojrzenie na znane molekuły. W przypadku DNA okazało się, że ta warunkująca życie cząsteczka może stać się śmiercionośną bronią w walce o przetrwanie. Jak każdy środek obronny, może jednak zawodzić. Niekiedy przez pomyłkę obraca się przeciwko temu, kto go używa. Im więcej dowiemy się na temat tych mechanizmów, tym łatwiej będzie nam wpłynąć na wynik walk toczonych w naszym organizmie. Może nawet ustrzeżemy się błędów. ©

Autor jest doktorem nauk biologicznych. Pracuje w Instytucie Zootechniki Państwowego Instytutu Badawczego w Balicach. Zajmuje się także popularyzacją nauki. Członek Stowarzyszenia Rzecznicy Nauki.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Wybrane teksty dostępne przed wydaniem w kiosku
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Wybrane teksty dostępne przed wydaniem w kiosku
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
79,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Mariusz Gogól – doktor biochemii, biolog, popularyzator nauki. Specjalista komunikacji naukowej związany ze Stowarzyszeniem Rzecznicy Nauki od początku jego działalności. Współpracuje m.in. z Państwowym Wydawnictwem Naukowym, Serwisem Nowaja Polsza oraz… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 4/2019