Prečo je stres zlý aj pre baktérie?

12. sep. 2019 • Biologické vedy

Prečo je stres zlý aj pre baktérie?

Baktérie sú bunky podobné bunkám nášho tela. Existujú „dobré" a „zlé" baktérie. Keď chceme napadnúť bakteriálne bunky, musíme poznať ich odlišnosti. Otázkou je, ako baktérie reagujú na stresové situácie. Treba vytvoriť antibiotiká, ktoré blokujú antistresový systém a tým bojujú proti „zlým“ baktériám. Väčšina baktérií v ľudskom tele je „dobrých".

Baktérie sú jednoduché jednobunkové organizmy, ktoré dokážu prežiť vo veľmi tvrdých podmienkach. Nachádzajú sa všade v našom prostredí, nájdeme ich aj na koži tela, v ústach či črevách. Väčšina baktérií v tele – 85 percent – sú „dobré“ a pre zdravie prospešné. Mnohé sídlia v črevách, pomáhajú rozkladať potravu a budovať imunitný systém. Avšak existujú aj nie až tak dobré baktérie a tie spôsobujú množstvo rôznych chorôb, niektoré aj ohrozujú život. Príkladom je tuberkulóza, na ktorú ročne zomrú 2 milióny ľudí a ich počet stále rastie.

Čo dokážeme robiť proti „zlým“ baktériám?

Dôležité je pozrieť sa nielen na baktérie, ale aj na ich molekuly, ktoré sa nachádzajú v ich vnútri. Ako baktérie reagujú na stresové situácie? Ktoré molekuly v baktérii nastavujú antistresový systém? 

„Tento experiment je veľmi jednoduchý. Vystresujeme baktérie a vidíme, že už nevyzerajú tak dobre. Pozorujeme ako vyzerajú molekuly v takto vystresovaných baktériách a analyzujeme ich. To, čo chceme vytvoriť, sú antibiotiká, ktoré blokujú antistresový systém a tým bojujú proti ,zlým´ baktériám,“ vysvetlil poslucháčom Detskej Univerzity Komenského v Bratislave PD Dr. Tim Clausen z Inštitútu molekulárnej patológie vo Viedni. 

PD Dr. Tim Clausen prednášal na Detskej Univerzite Komenského v Bratislave

PD Dr. Tim Clausen prednášal na Detskej Univerzite Komenského v Bratislave

Antibiotiká

Vo vytváraní antibiotík je jeden problém. Baktérie sú bunky, ktoré sú podobné bunkám nášho tela. Keď chceme napadnúť bakteriálnu bunku, musíme poznať odlišnosti medzi bakteriálnymi a ľudskými bunkami, pretože inak by antibiotiká napadli aj ľudské bunky, čo by nebolo vôbec dobré. Pre ilustráciu, predstavme si obe bunky ako dva rozdielne druhy domov.

Bakteriálnu bunku bude predstavovať historický robustný hrad a naopak, ľudskú bunku moderná luxusná vila. Porovnajme si rozdiely medzi nimi. Jedným očividným rozdielom je obranný systém, v bakteriálnom hrade máme pevnú hradbu a vo vile káblový poplašný systém. Hradba bakteriálnej bunky je postavená z rovnakých stavebných blokov – tehál, ktoré sa v ľudskej bunke nenachádzajú. Úlohou antibiotík je zničiť tieto tehly (alebo zabrániť ich tvorbe) a tým aj celú hradbu. Takto dokážeme baktériu napadnúť.

Ďalším zásadným rozdielom medzi hradom a modernou vilou je zariadenie vo vnútri. V modernom dome sa nachádza množstvo moderného zariadenia, máme televízory, iPad, rôzne výdobytky technológií, ktoré v starobylom hrade nenájdeme. Tam sú zastaralé stroje s „jednoduchým“ ovládaním. Napríklad v minulosti ľudia používali písacie stroje a v dnešnej dobe využívame moderné kopírky. Antibiotiká blokujú starodávny stroj, ale nedotknú sa modernej technológie.

Antibiotiká majú tiež určité nedostatky. Prvým problémom je, že existuje iba obmedzené množstvo „trikov“ ako bojovať s baktériami (trikom je myslený molekulárny stroj, na ktorý sa antibiotiká zameriavajú) a v bakteriálnej bunke môže byť zameraných iba málo strojov. Preto musíme vyradiť z prevádzky viac strojov, avšak nie je jednoduché nájsť nástroj (malú molekulu), ktorý poškodí bakteriálne stroje. Najprv musíme pochopiť, ako tieto stroje fungujú, aby sme ich mohli zničiť. To je úlohou laboratória.

Ďalším problémom antibitotík je rezistencia – odolnosť voči antibiotikám. Baktérie sú natoľko múdre, že dokážu nájsť spôsob ako nahradiť vyradený stroj novým, a preto antibiotiká už nezaberajú. Cieľom výskumníkov v laboratóriu je sťažiť baktériám vytvorenie nového stroja.

Poslucháči DUK 2019 na prednáške PD Dr. Tima Clausena v Bratislave

Poslucháči DUK 2019 na prednáške PD Dr. Tima Clausena v Bratislave

Proteíny

Proteíny sú molekuly, ktoré vytvárajú „stroje“ v bunkách, sú veľmi malé a nedokážeme ich vidieť voľným okom ani pod mikroskopom. V tíme T. Clausena používajú špeciálne techniky – ako sú proteínová kryštalografia a elektrónová mikroskopia – na to, aby zviditeľnili proteíny a porozumeli ich funkcii.

V bakteriálnej bunke sa nachádza mnoho tisíc proteínov, v ľudskej bunke dokonca ešte viac, okolo 1 000 000 druhov, čo predstavuje dvojnásobok obyvateľstva Bratislavy. Tak ako ľudia, aj každý proteín vyzerá inak (veľký, malý, tučný, chudý) a každý z nich má rozdielnu úlohu v bunke pri ovládaní strojov.

Ako na nás pôsobí stres?

Stres pôsobí na každého inak. V tejto súvislosti PD Dr. Tim Clausen povedal: „Ja, keď som na dovolenke, som oddýchnutý a zrelaxovaný. No keď sa vrátim späť do práce, už tomu tak nie je. Sú aj ďalšie vplyvy, ktoré nás dokážu vystresovať, napríklad skoré vstávanie, studená voda, vysoké teploty, veľa slnka, hlad alebo smäd. Dôležité je, že taktiež baktérie sa môžu vystresovať, napríklad vysokou teplotou, veľkým množstvom soli, nedostatkom jedla a keď sú vystavené vplyvu antibiotík. To isté platí aj pre proteíny, ktoré vedia byť veľmi zrelaxované, avšak za určitých podmienok, ak ich vystresujeme, dokážu stratiť tvar a už viac nie sú schopné plniť svoju úlohu."

Predstavme si, že máme zdravý poslušný proteín, z ktorého sa pôsobením stresu stane poškodený neposlušný proteín. Ak máme príliš veľa poškodených proteínov, v bunke nastane úplný chaos a neporiadok. Ak nie sú v strese, vieme bunku prirovnať ku krásne upratanej izbe. Ako upratať bunkovú „izbu“ a vrátiť veci do pôvodného stavu? Musíme vyhodiť do odpadu množstvo vecí, ktoré nie sú potrebné – toto je presne to, čo baktérie robia. Všetky baktérie majú veľmi výkonné upratovacie systémy na vynášanie proteínového odpadu.

Bakteriálny odpadový systém možno prirovnať k mestskému systému odstraňovania odpadu. Prvým krokom pri proteínoch je identifikovať odpad – roztriediť poškodené od zdravých a rozhodnúť, ktorých sa treba zbaviť. Druhým krokom je označenie poškodených proteínov (modrá, oranžová). Tretím krokom je zbaviť sa odpadu podľa označenia do príslušného smetného koša. 

Odpadová nádoba funguje ako drvič dreva, máme niečo, čo „kŕmi“ stroj (kŕmič) a niečo, čo v podstate podrví drevo (drvič). Kŕmič vezme poškodený proteín a vloží ho do drviča. Existujú rôzne druhy drvičov a takéto rozličné systémy sa nachádzajú aj v našich bunkách. Pri jednoduchšom drviči dreva máme časti: kus dreva, človek, drvič.

Z hľadiska proteínov kus dreva je poškodený proteín (substrát), človek – kŕmič, ktorý vkladá tento proteín do drviča a samotný drvič, ktorý ho rozdrví. Proteínový drvič v ľudskej bunke sa nazýva proteazóm, v bakteriálnej bunke je to proteáza. Tieto drviče sú veľmi komplikované stroje a aby sme ich mohli zablokovať, musíme im najprv porozumieť.

PD Dr. Tim Clausen prednášal na DUK 2019 v Bratislave

PD Dr. Tim Clausen prednášal na DUK 2019 v Bratislave

Všetky bunky majú drviče proteínov, aby odstránili poškodené molekuly, avšak tieto systémy sa od seba odlišujú. Bakteriálny systém je omnoho menší, než ľudský. Je inak skonštruovaný, využíva iné „drviace zariadenie“. Druhým rozdielom je tzv. signál smrti, alebo odpadový signál, ktorý je v ľudskej bunke veľmi veľký (slon) a v bakteriálnej veľmi malý (komár). Vďaka týmto rozdielom môžeme zasahovať do bakteriálneho systému bez toho, aby sme ovplyvnili ľudský systém.

„Potrebujeme porozumieť, ako funguje proteínový drvič a ako ho dokážeme zablokovať. Predstavme si stroj plný ozubených kolies a človeka držiaceho kovovú tyč, ktorou tento stroj dokáže zaseknúť a zastaviť. Toto je to, čo sa snažíme robiť. Ak sa nám podarí zablokovať stroj, aké dôsledky to bude mať na našu „čistú izbu“? Odpoveď je jednoduchá, z izby sa čoskoro stane smetisko a ak všetky „izby“ vyzerajú takto, baktérie zomierajú," zdôraznil Tim Clausen.

„Druhý prístup, ktorý môžeme použiť, je vyradenie odpadových systémov. Ako som povedal, normálne pri upratovaní je označiť len poškodené systémy, takže zdravé proteíny zostanú neoznačené. To chceme zmeniť a spraviť to opačne, čiže označíme len normálne, zdravé proteíny. Ak totiž označíme veľmi dôležitý proteín baktérie, baktéria zomrie, pretože nedokáže bez tohto proteínu žiť. A toto je to, na čom v súčasnosti pracujeme v našom laboratóriu,“ povedal v závere prednášky na tému Prečo je stres zlý aj pre baktérie? PD Dr. Tim Clausen na Detskej Univerzite Komenského. 

PD Dr. Tim ClausenTim Clausen vyrastal v Kappeln, Schlei v Nemecku. Vyštudoval biológiu na Univerzite v Constance so špecializáciou na bioorganickú chémiu (prof. Dr. Sandro Ghisla). V roku 1994 nastúpil do skupiny prof. Dr. Roberta Hubera (Max-Planck-Institute for Biochemistry, Martinsried, Nemecko), aby sa naučil kryštalizáciu proteínov. Po získaní titulu Ph.D. pokračoval v MPI ako vedúci skupiny Junior Group, ktorá študovala mechanickú všestrannosť proteínových faktorov. V roku 2002 bol prijatý ako vedúci skupiny do  Inštitútu molekulárnej patológie (IMP) vo Viedni (Rakúsko), kde bol v roku 2009 povýšený na vedeckého pracovníka. Clausenova skupina vo svojom výskume analyzuje mechanizmy proteázových a chaperónových strojov, ktoré sa podieľajú na chorobách spojených so stratou proteínov a patogenite baktérií.

V poradí 8. prednáška na tohoročnej Detskej Univerzite Komenského sa uskutočnila dňa 21. augusta 2019 v Divadle Aréna v Bratislave.

Redigovala a uverejnila: Marta Bartošovičová, NCP VaT pri CVTI SR

Zdroj: www.dukonline.sk/2019_prednaska_8

Fotozdroj: duk.sk/sk/fotogaleria

www.facebook.com/detskauniverzitakomenskeho/

www.imp.ac.at/groups/tim-clausen/

Súvisiace:

Hore
Aurelium - centrum vedy
Publikácie Veda v CENTRE
kúpa časopisov jún 2016
Quark_2019
Bratislavská vedecká cukráreň
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Extrapolácie 2019
Zaujímavosti vo vede
Syntetizovať nové anorganické nanomateriály patrí k technologickému pokroku posledných desaťročí.
Zistite viac