Vedci zmenili príbeh, ktorý sa o bakteriálnych nanotrubiciach doteraz písal v učebniciach.
Ukázali, že bakteriálne nanotrubice vznikajú v prípade každej bakteriálnej bunky, ak je bunka vystavená pôsobeniu tlaku, stresových faktorov či antibiotík. Okrem toho podľa ich zistení v momente, keď baktéria vytvorí nanotrubicu, umiera. Štúdiu publikoval prestížny odborný časopis Nature Communications.
Výsledky vedeckého tímu Mikrobiologického ústavu Akadémie vied ČR pod vedením Libora Krásneho a laboratória Imricha Baráka z Ústavu molekulárnej biológie Slovenskej akadémie vied (SAV) znamenajú v mikrobiológii nesmierny posun.
Nanotrubice baktérií boli objavené pred viac ako desiatimi rokmi. Mnoho vedeckých tímov sa venuje skúmaniu toho, na čo slúžia. Doposiaľ vedci predpokladali, že vďaka trubiciam bakteriálna bunka skúma svoje okolie, môže sa spojiť s inou bunkou alebo ich baktéria môže použiť na prenos DNA, RNA a bielkovín medzi bunkami rôznych baktérií.
V novej štúdii českí a slovenskí vedci ukázali, že sa môžu vytvoriť nanotrubice v každej bakteriálnej bunke, ak je vystavená pôsobeniu tlaku, stresových faktorov alebo antibiotík. V mikrobiológii predstavujú tieto zistenia nesmierny posun. Výsledky zo štúdie ukazujú, že nanotrubice s veľkou pravdepodobnosťou baktéria nevyužíva na výmenu rôznych biologických látok. Ide len o „post mortem“ prejav stresovanej a umierajúcej bunky.
Viac nám o výsledkoch porozprával Imrich Barák z Ústavu molekulárnej biológie SAV.
Kedy dochádza k smrti bakteriálnej bunky? Prečo? Čo tomu predchádza?
V prípade mnohobunkových organizmov, akým je napríklad ľudské telo, ktoré obsahuje biliardy buniek, bunky pravidelne odumierajú v procese programovanej bunkovej smrti a sú nahradené novými bunkami tej istej funkcie. To znamená, že asi za sedem rokov sa nám v tele postupne nahradia všetky bunky. Na druhej strane baktérie sú jednobunkové organizmy, čiže smrť jednej bunky znamená aj koniec jedinca. K smrti bakteriálnych buniek dochádza často, stále a rýchlo, lebo ich zabíjajú iné baktérie, vírusy (bakteriofágy), antibiotiká a rôzne iné nepriaznivé vonkajšie podmienky.
Prečo je potom na svete oveľa viacej bakteriálnych buniek ako všetkých iných organizmov dokopy?
Je to preto, že bakteriálne bunky sa dokážu veľmi rýchlo rozmnožovať, niektoré dokonca za ideálnych podmienok dokážu svoj počet zdvojnásobiť každých 20 minút. Ich počet rastie geometricky a keď napríklad naočkujeme 100 buniek baktérie večer do živného média, ráno ich budeme mať bilióny. Baktérie zažívajú rôzne stresové podmienky a mnohým sa dokážu prispôsobiť. Schopnosť prispôsobiť sa niektorých baktérií, najmä tých, ktoré dokážu sporulovať, je taká veľká, že bez kyslíka, vody a živín dokážu prežiť aj milióny rokov, a to aj pri vysokej teplote, radiácii a podobne.
Pozrime sa bližšie na smrť bakteriálnej bunky. Ako prebieha?
Dôležité je to, že keď sa baktérie delia, dajú sa najjednoduchšie zabiť, lebo budujú okolo seba bunkovú stenu a prikladajú ďalšie a ďalšie „tehličky“ do steny, ktorá ich chráni. Keď pôsobíte na baktérie antibiotikom, ktoré im bráni správne vkladať „tehličky“ do bunkovej steny, tak vznikajú diery a vnútorný tlak v bunke vytlačí bunkový obsah do prostredia. Bunka zomiera.
Vo svojom výskume ste sa podrobne venovali bakteriálnym nanotrubiciam. Akú úlohu zohrávajú v bunke? Na čo ste svojimi pozorovaniami prišli?
Bakteriálne nanotrubice boli objavené už pred 10 rokmi. Tieto útvary boli charakterizované ako lipidické trubičky vychádzajúce z bakteriálnych buniek do priestoru. Ich dĺžka je niekedy aj 50-krát väčšia (viac ako 100 m) ako dĺžka samotnej bunky baktérie (~ 2-4 m). Priemer nanotrubíc je približne 70 nm. Tieto dlhé a úzke trubičky boli popísané ako spôsob, ktorým bakteriálna bunka skúma svoje okolie, ale aj spôsob, ako sa môže spojiť s inou bunkou buď toho istého druhu, alebo aj s úplne odlišnou, dokonca ich využiť aj na spojenie s eukaryotickou bunkou. K unikátnym schopnostiam týchto nanotrubíc boli pripísané procesy, ako sú prenos DNA, RNA a bielkovín medzi bunkami rôznych baktérií, ako aj „upírske“ vysatie živín z eukaryotickej bunky. Prenos DNA cez tieto nanotrubice bol určený aj ako ďalší spôsob šírenia antibiotických rezistencií medzi rôznymi druhmi baktérií. Rôzne úlohy nanotrubíc sa začali v mikrobiológii udomácňovať a mohli by sa už označovať aj ako vedomosti z učebníc.
Problémom pri skúmaní týchto nanotrubíc v živých bunkách bolo, že tieto útvary sa vyskytovali v malom množstve. Ako ste sa s tým vysporiadali?
Naša štúdia, ktorá vyšla teraz v októbri v prestížnom odbornom časopise Nature Communications, vznikla v spolupráci českých a slovenských vedcov. Naše výsledky sú vo veľkom protiklade s predtým publikovanými zisteniami, čo spôsobilo, že príbeh o bakteriálnych nanotrubiciach dostáva úplne nový obrat.
Ukázali sme, že nanotrubice v princípe vznikajú z každej bunky, keď použijeme rôzne stresové faktory, napríklad tlak alebo ich vystavíme pôsobeniu antibiotík. Bakteriálna bunková stena dokáže vo vnútri bunky udržiavať tlak až dvadsať atmosfér. Pokiaľ ale dôjde buď mechanicky, alebo pôsobením antibiotík k narušeniu steny, ďalšie udržanie takého veľkého tlaku nie je možné. Tento tlak následne zapríčiní doslova „vystrelenie“ cytoplazmatickej membrány vo forme nanotrubice do vonkajšieho prostredia cez vzniknuté otvory v bunkovej stene. Dôležitým zistením bolo, že práve v okamihu, keď bunka „vystrelí“ nanotrubicu, bunka zomiera. To znamená, že tvorba nanotrubíc nie je riadený biologický proces, ako bol popísaný predtým.
Priložené videá v článku ukazujú unikátne zábery z fluorescenčnej mikroskopie, kde jasne vidieť vystreľujúce trubičky z buniek Bacillus subtilis a kde tiež vidieť, že v priebehu pár sekúnd bunka zomiera. Smrť bunky je viditeľná, keď farbička, špecifická pre sledovanie bunkovej smrti, v priebehu niekoľkých sekúnd vniká do bunky.
V čom sú tieto zistenia prelomové oproti tomu, čo doteraz v tejto oblasti vieme?
Výsledky zo štúdie ukazujú, že nanotrubice baktéria s veľkou pravdepodobnosťou nevyužíva na výmenu rôznych biologických látok, ale je len „post mortem“ prejavom stresovanej a umierajúcej bunky. Tieto nanotrubice v uvedenej štúdii boli sledované v celom spektre rôznych baktérií, a tak majú zistenia široký dopad na celý odbor mikrobiológie, čo je dôležité. Prelomové sú hlavne z ďalšieho pohľadu. Nemusíme sa báť bakteriálnych nanotrubíc, ktoré boli doteraz vnímané ako spôsob, ktorým sa môžu prenášať antibiotické rezistencie medzi rôznymi baktériami, alebo sa obávať baktérií ako zlodejov živín z našich buniek.
Ako nám raz môžu tieto zistenia skvalitniť každodenný život?
Výsledky štúdie môžu byť využité v boji proti bakteriálnej odolnosti voči antibiotikám. V neposlednom rade vznik nanotrubíc počas bunkovej smrti je objavom, ktorý významne posúva naše vedomosti o bakteriálnej fyziológii a ich komunikácii.
