Wojny klonów. Zobacz, czym zaskoczą Cię bakterie

WOJCIECH BRZEZIŃSKI: Bakterie są towarzyskie?

PROF. KEVIN FOSTER: Zależy od definicji. Są społeczne w tym sensie, że każda komórka ma wiele cech wpływających na inne komórki wokół niej. To może być wpływ pozytywny, czyli kooperacja, jak i negatywny – konkurencja.

Wiele bakterii pompuje do środowiska enzymy rozkładające obecne w środowisku cząsteczki, którymi karmią się wszystkie komórki w okolicy. Komórka, która je produkuje, nie jest jedyną, która na tym korzysta. Bakterie mogą więc pracować zespołowo. Ale także walczą. W procesie ewolucji wypracowały zdumiewający arsenał brutalnych systemów uzbrojenia, którymi eliminują konkurencję.

Złożone interakcje nie dziwią nas u organizmów wielokomórkowych, bo mają one wiele możliwości odbierania bodźców ze środowiska, np. układy nerwowe przetwarzające dane. Bakterie muszą się obejść bez nich.

Świat, w którym żyje bakteria, jest dla niej o wiele prostszy niż np. świat ssaka. Nie mają one organów zmysłów w tym samym sensie co my, jednak są w stanie zarejestrować wiele bodźców ze środowiska. Mogą np. wykryć, czy ich komórka jest uszkodzona. To prowadzi nas do pewnego sprytnego zachowania.

Jeden z systemów uzbrojenia, jakimi dysponują, nosi dość nudną nazwę „systemu sekrecji typu VI”. To coś w rodzaju zatrutej, molekularnej włóczni, którą jedna komórka wystrzeliwuje w stronę drugiej. Jeśli takim pociskiem zostanie trafiona komórka-klon agresora, to nic się nie stanie, bo komórki tworzące toksyny same są na nie odporne. Ale jeśli trafiona zostanie komórka z innego szczepu, to często prowadzi do jej śmierci. Dlaczego o tym mówię? Bo jedną z zadziwiających umiejętności wielu szczepów bakterii jest wyczuwanie nadchodzących ataków. Nie mają oczywiście oczu, nie widzą zbliżającego się ciosu, ale wykrywają uszkodzenia zewnętrznej warstwy komórki i traktują je jako impuls do zmontowania własnej broni i odpowiedzenia ogniem.

Bakterie mają – mówiąc w przenośni – znakomite nosy. Zewnętrzne warstwy ich komórek pokryte są białkami-receptorami, podobnymi do tych, które pozwalają nam odczuwać smaki czy zapachy. Związki chemiczne wykrywane dzięki tym receptorom mogą być dla komórki sygnałem, że w pobliżu jest konkurent, albo że bakteria jest otoczona swoimi klonami, z którymi można współpracować.

We współpracy między bakteriami nie ma intencyjności, nie ma procesów myślowych, ale jest to, w fundamentalnym sensie, skoordynowana kooperacja, oparta przede wszystkim na tej jednej informacji: czy są otoczone przyjaciółmi, czy wrogami.

Można to chyba porównać do najprostszych algorytmów komputerowych. Bardzo prosty zestaw napływających danych i możliwych reakcji może doprowadzić do niezwykłej złożoności zachowań.

Bakterie rozwiązują problemy na dużo prostsze sposoby niż my. Np. jedną z kluczowych „społecznych” cech bakterii jest coś, co nazywamy „wyczuwaniem kworum”. Potrafią wykryć, kiedy w danym środowisku jest ich wiele. Nie robią tego tak jak my, angażując wzrok czy słuch i świadomie licząc. Zamiast tego wydzielają do środowiska bardzo „tanie” cząsteczki. Im więcej komórek, tym większe stężenie tych cząsteczek. I kiedy to stężenie będzie odpowiednio wysokie – co bakteria potrafi wykryć – uruchomi ona rozmaite procesy wewnątrz komórki. To sztuczka wykorzystywana przez wiele patogenów. Np. bakteria Staphylococcus aureus, znana jako MRSA, ma szczep odporny na antybiotyki, który lokuje się na naszych kościach i po cichu się namnaża, dopóki nie osiągnie wystarczającej liczebności. Atakuje dopiero wtedy, gdy wykryje, że jest wystarczająco liczny, by obronić się przed naszym systemem odpornościowym. To złożone zachowanie oparte na bardzo prostym mechanizmie.

W organizmach wielokomórkowych mamy do czynienia ze specjalizacją, różne komórki mają różne funkcje. Społeczności bakterii to często genetyczne klony. One też potrafią się specjalizować?

Organizmy wielokomórkowe są zdumiewająco złożone, ale warto pamiętać, że większość naszych komórek, z wyjątkiem niektórych komórek układu odpornościowego, też jest genetycznie identyczna. Mimo to komórki skóry są zupełnie inne niż, dajmy na to, komórki wątroby. Bakterie żyją w grupach klonów, ale w takiej grupie różne komórki wykonują różne funkcje. Przykładem może być powszechna i ważna forma społecznego życia bakterii znana jako biofilm. Bakterie, lokując się na jakiejś powierzchni, często otaczają się rodzajem śluzu. Ma on wiele funkcji – chroni je, nawadnia, pomaga im dusić konkurencję. Ale zazwyczaj jedynie pewien odsetek komórek danej grupy działa jako fabryka śluzu. Pozostałe bakterie mają inne funkcje: rosną, dzielą się, czasami uwalniają zarodniki. Mamy do czynienia z podziałem pracy. To system o wiele prostszy niż w prawdziwym organizmie wielokomórkowym, ale zasada jest ta sama.

Część Pana badań polega na filmowaniu bakteryjnych pól bitew. Z jakich strategii korzystają walczące ze sobą bakterie?

Jedną z najpowszechniejszych jest strategia wzajemności. Siedzisz cicho, jeśli nikt cię nie atakuje, ale jeśli wyczujesz atak, odpowiadasz własnym. To podstawa mechanizmu, o którym wspomniałem – jeśli poczujesz dźgnięcie, to przy pomocy systemu sekrecji typu VI odpłacasz pięknym za nadobne. Ale ten system przybiera wiele innych form. Widzimy bakterie, które posiadają coś, co nazywamy odpowiedziami na stres – rozpoznają, że znalazły się w tarapatach, np. kiedy ich DNA albo białka czy membrany są uszkadzane. Odpowiadają bardzo szybko, np. wydzielając antybiotyki. Fundamentalną strategią jest gwałtowne namnażanie się aż do chwili, kiedy poczujesz, że coś robi ci krzywdę. Starasz się gwałtownie rozwijać i dopiero kiedy pojawia się zagrożenie, inwestujesz energię w produkcję broni.

To trochę przypomina naszą ­geopolitykę.

Są pewne ważne podobieństwa – mamy dwie populacje, które czasem popadają w konflikty i agresywnie walczą o terytorium. Zasada wzajemności jest fundamentalna w interakcjach między różnymi organizmami. Ale oczywiście nie należy z tego wyciągać jakichś wniosków etycznych czy moralnych.

Kiedy oglądamy przyrodnicze filmy dokumentalne, zazwyczaj skupiają się one na walce. To ekscytujące, ale zazwyczaj życie zwierząt tak nie wygląda. Starają się unikać konfliktów, bo każdy jest ryzykowny. Bakterie też wolą być ostrożne?

Wydają się bardziej agresywne. U zwierząt, kiedy dwa samce walczą o samicę, często najpierw oceniają przeciwnika. Jeśli jeden wygląda na zdecydowanie silniejszego, drugi się wycofuje, a konflikt jest rozwiązywany pokojowo. Bakterie, na ile wiemy, po prostu ruszają do walki. Sądzimy, że to dlatego, iż zazwyczaj walczą w wielkich grupach, w świecie, w którym terytorium ma kluczowe znaczenie. Potrzebują do rozwoju przestrzeni i substancji odżywczych. Gdyby grupa bakterii zdecydowała się rozproszyć i uciec, to prawdopodobieństwo znalezienia innego równie korzystnego miejsca byłoby bardzo niskie.

Najlepszą analogią wśród zwierząt mogą być koralowce czy gąbki. Na rafie koralowej stale otacza cię mnóstwo larw, które starają się gdzieś osiedlić, ale wolnych miejsc jest niewiele. Kiedy znajdą takie miejsce, tworzą duże grupy klonów i prowadzą brutalną wojnę chemiczną z sąsiadami, podobnie jak bakterie. Inną dobrą analogią są owady społeczne. Kolonie mrówek czy roje pszczół są bardzo agresywne. Kiedy masz gniazdo czy ul, który wymaga obrony, nie możesz po prostu uciec i przenieść się gdzie indziej. Wszędzie tam, gdzie stawka jest bardzo wysoka, agresja rośnie.

Jednym z kluczowych elementów wojny są podstępy. Bakterie też się do nich uciekają?

Znamy bakterie, które wysysają z otoczenia cząsteczki sygnałowe służące innym bakteriom do oszacowania własnej liczebności. W efekcie ta druga bakteria nie zna liczby przyjaznych komórek i nie potrafi działać efektywnie.

W jednej z prac wspomina Pan też o bakteriach, które są w stanie prowokować inne gatunki do tego, żeby walczyły ze sobą.

Tak, choć w podsumowaniu tej publikacji stwierdzamy, że w większości przypadków ta taktyka nie działa. Problemem jest to, że kiedy prowokujesz inną bakterię do ataku, zazwyczaj ona zaatakuje ciebie. Ale czasem się zdarza, że bakteria może sprowokować do ataku inny szczep, na którego broń jest odporna, co sprawia, że tamten szczep atakuje konkurencję.

Może dość o wojnie – skupmy się na pokoju. Na czym polega międzygatunkowa współpraca u bakterii?

Dobrze zacząć od analogii w skali makro. Pięknego przykładu kooperacji międzygatunkowej dostarczają rośliny i zapylacze. Mogą one współpracować z tego powodu, że mają sobie nawzajem coś do zaoferowania. Rośliny dają nektar, który produkują tanio dzięki fotosyntezie, a zapylacze potrafią latać, co wykracza daleko poza możliwości typowej rośliny. Więc to dobry układ.

Rośliny i zapylacze nie mają pokrywających się potrzeb. Nie konkurują o żadne zasoby ani o przestrzeń. Tymczasem dwa szczepy bakterii żyjące w tym samym środowisku zwykle potrzebują zbliżonych substancji odżywczych. Ogranicza je dostępność żelaza i innych minerałów. Więc jeśli pomożesz innej bakterii rosnąć, rośnie też prawdopodobieństwo, że ona ukradnie ci cenne żelazo.

Są jednak przypadki, kiedy jeden gatunek może zrobić coś, czego nie potrafi inny. I tu spotykamy się z kooperacją. Nie znamy jeszcze zbyt wielu takich przypadków – trudno udowodnić, że taki proces zachodzi, bo rozgrywa się on na skali chemii i metabolizmu. Ale kilka lat temu badałem występujące w naszych jelitach bakterie z dużej grupy Bacteroides. Rozkładają one błonnik i złożone węglowodany z naszego pożywienia, co dostarcza składników odżywczych nam samym. Odkryliśmy, że jeden z gatunków, ­Bacteroides ovatus, produkuje enzymy rozkładające złożone węglowodany na substancje, których sam nie je. Wydaje się, że karmi inne bakterie, które w zamian pomagają jemu. Nie wiemy jednak, na czym polega ta pomoc zwrotna. Wiemy, że jedna bakteria karmi drugą, wiemy, że obecność tej drugiej pomaga we wzroście pierwszej, ale nie znamy dokładnego mechanizmu. Ten przykład nas zaskoczył, bo jest zdumiewająco podobny do związku roślin i zapylaczy.

Na pewno odkryjemy więcej przykładów współpracy między bakteriami. Np. bakterie prowadzące fotosyntezę mogą karmić inne związkami węgla i dostawać coś w zamian. Zawsze, kiedy masz nadmiar zasobu, którego pozyskanie jest dla ciebie tanie, możesz potencjalnie wymienić się z kimś innym.

Fascynujące jest to, jak takie badania zmieniają nasz sposób postrzegania mikroorganizmów. Są podstawą życia na Ziemi, ale w sumie wciąż są dla nas zupełnie obce.

Dokumentowanie zachowania bakterii wymaga o wiele większej pracy niż np. obserwowanie przez okno, jak walczą dwa ptaki. Interakcje bakterii są zazwyczaj oparte na reakcjach chemicznych, trzeba więc czasu i technologii, żeby zbadać to, co nazywam bakteryjną historią naturalną.

Więcej wiemy o ich genach. Rewolucja, jaka zaszła w sekwencjonowaniu genów, oznacza, że możemy wziąć próbkę gleby, odchodów czy czegokolwiek innego i skatalogować genomy wszystkich bakterii, które się w niej znajdą. Ale to mówi nam tylko o tym, kto w takiej próbce jest. To tak, jakbyśmy zmielili na proszek kawałek lasu i sekwencjonowali taką próbkę. Nie dowiedzielibyśmy się z niej, czy dwa gatunki ptaków walczą, czy wspólnie gniazdują, nie wiedzielibyśmy nic o relacjach roślin i zapylaczy. To jest nasz fundamentalny problem. Możemy zidentyfikować gatunki bakterii w danym ekosystemie, ale sprawdzenie tego, jak wyglądają ich interakcje, jest o wiele, wiele trudniejsze.

Jakie są „znane niewiadome” i jakie mogą być „nieznane niewiadome”, jeśli idzie o naszą wiedzę o ich świecie?

Zaczynamy rozumieć, jak wyglądają interakcje bakterii, ale wyzwaniem jest teraz rozwinięcie skali i spojrzenie na całe ich wspólnoty. Jedną z najintensywniej badanych wspólnot jest mikrobiota jelitowa. Te bakterie rozkładają żywność na elementy składowe i chronią nas przed patogenami. Są tam setki gatunków i każdy z nich ma dziesiątki cech, za pomocą których może wpływać na inne. To oszałamiająca sieć interakcji. Pytanie brzmi: jak sobie z tym poradzić? Jak możemy przejść od zrozumienia konkretnych cech konkretnych bakterii do zrozumienia całego systemu? Musimy znaleźć sposoby na rozbicie tej złożoności na elementy. Prawdopodobnie jedne gatunki są ważniejsze od innych. Prawdopodobnie jedne interakcje są ważniejsze od innych. Możemy zapewne zacząć budować modele sieci, aby zrozumieć te interakcje i zacząć przewidywać ich zachowanie. Stawka jest wysoka, bo te wspólnoty bakterii mają ogromny wpływ na nasze zdrowie, a na dziś nie dysponujemy dobrymi metodami przewidywania ich zachowań czy manipulacji nimi.

Więc, żeby posłużyć się analogią do zoologii, przechodzimy od badania wypchanych lwów i zebr do prób zrozumienia, jak działa cały ekosystem.

Tak, tak sądzę. W makroekologii próbujemy to robić od dawna. Ale w przypadku bakterii chyba mamy większą szansę na zrozumienie działania całego systemu, bo choć jest bardzo złożony, to możemy badać go w laboratorium, manipulować nim, prowadzić powtarzalne eksperymenty, których nie da się przeprowadzić na sawannie czy w lesie deszczowym. Mam więc nadzieję, że nie tylko wykorzystamy ekologię do zrozumienia mikrobiomu, ale że wykorzystamy mikrobiomy do lepszego zrozumienia fundamentów ekologii, zasad zachowania systemów.

Mikrobiota jelitowa to jeden z obszarów, w których potencjał Pana badań wydaje się największy. Jak te badania mogą pomóc nam pogłębić zrozumienie naszych własnych ciał?

Mamy nadzieję, że na wiele sposobów. Najprostszym z nich jest ochrona przed chorobami. Wiele patogenów, żeby wywołać chorobę, musi najpierw przejść przez naszą florę bakteryjną w jelitach. Oznacza to, że muszą rywalizować z korzystnymi dla nas symbiontami. Jeśli zrozumiemy zasady odpowiadające za to, czy bakteriom udaje się skolonizować dany obszar i prosperować, możemy pomóc dobrym bakteriom rywalizować z patogenami.

Załóżmy, że w naszych jelitach znajdzie się chorobotwórcza bakteria. Posługując się zasadami ekologii, staramy się zrozumieć, co byłoby idealnym rywalem dla takiego szczepu. W jaki sposób usunąć go, posługując się innymi bakteriami. Zamiast sięgać po antybiotyki, które, jak wiemy, mają wiele ograniczeń i zabijają wszystko, możemy wszczepić do jelit niegroźny szczep bakterii, który będzie rywalizował z patogenem i usunie go. W tym celu musimy wykorzystać całą naszą wiedzę o bakteryjnej rywalizacji, ekologii i ewolucji. Zbliżamy się do tego celu, robimy to w probówkach, ale wykorzystanie takiej terapii u żywych ludzi wymaga jeszcze dalszej pracy.

Bakterie stanowią też podstawę wszystkich ekosystemów na Ziemi. Czy możemy wykorzystać lepsze zrozumienie mikroskopijnych ekosystemów do ich ochrony w skali makro? Do walki ze zmianami klimatu?

Do pewnego stopnia tak. Choćby w wychwytywaniu i wiązaniu związków węgla z atmosfery. Znaczna część związków węgla jest magazynowana przez bakterie, które przeobrażają je w trudne do rozłożenia produkty. Zrozumienie metabolizmu bakterii może nam pomóc zwiększyć możliwości sekwestracji dwutlenku węgla.

Ale to niejedyny mechanizm, w którym taka wiedza jest przydatna. W przyszłości będziemy mieli coraz większe problemy z produkcją żywności, a rolnictwo w ogromnym stopniu polega na interakcjach między roślinami a mikrobami. Jeśli uda się nam zapewnić, żeby w glebie, w której zakorzenione są rośliny, mieszkały też właściwe mikroorganizmy, możemy sprawić, że te rośliny staną się odporniejsze na zmiany klimatu.

Rolnictwo i przemysł też mogą wykorzystać te badania.

Krowy w pełni zależą od swoich symbiotycznych bakterii, które rozkładają ich żywność. Rośliny mają duże populacje bakterii wokół korzeni. To bardzo złożone społeczności bakteryjne i na razie słabo radzimy sobie z ich inżynierią. Niektórzy starają się rozpylać korzystne bakterie na polach. Branża mięsna nauczyła się wpływać na mikrobiotę jelitową krów za pomocą paszy. Ale nasza zdolność do manipulowania tymi systemami jest bardzo ograniczona.

Podobnie w przemyśle. Utrzymanie sprawności przemysłowych bioreaktorów jest bardzo trudne. Doskonałym przykładem jest oczyszczanie ścieków – stosuje się do tego złożone bioreaktory, w których brudna woda przechodzi przez wspólnoty bakteryjne, ale tak naprawdę wciąż nie wiemy, w jaki sposób te bakterie reagują na siebie nawzajem.

Wydaje mi się, że myśląc o ­bakteriach, często popełniamy coś w rodzaju wielokomórkowego ­szowinizmu: uważamy, że skoro my sami mamy tak złożone organizmy i jesteśmy otoczeni równie złożonymi istotami, to te małe, jednokomórkowe istoty są jedynie reliktem początków życia na Ziemi, tylko jedzą i się mnożą. Jak błędne jest takie podejście?

W świecie bakterii nie ma niczego przypominającego złożoność organizmu wielokomórkowego, mózgu, układu nerwowego czy neuronów. Ale niesamowite jest w nich to, że potrafią osiągać złożone cele na o wiele prostsze sposoby. Nie powinniśmy bagatelizować ich umiejętności. Robią wiele, posiadając niewiele. To powinno trochę ograniczyć nasz szowinizm. ©

PROF. KEVIN FOSTER pracuje na Wydziale Zoologii Uniwersytetu Oksfordzkiego. Zajmuje się badaniami społecznych interakcji różnych gatunków bakterii oraz wpływu mikrobioty jelitowej na organizmy ssaków.