Irena Pátková: Bakterie se na nás domlouvají

Bakterie jsou chytřejší, než si myslíme: dokážou spolu komunikovat a umí se spočítat. Když jich je dost, zaútočí: „Spustí společnou reakci, třeba produkovat jed,“ říká mladá vědkyně. Pokud „skočíme bakteriím do řeči“, můžeme najít lék na mnohé nemoci.

Světová zdravotnická organizace bije na poplach a zveřejňuje seznamy bakterií, které jsou již odolné vůči antibiotikům. Varuje, že velmi rychle vyčerpáváme naše léčebné možnosti a dost možná hrozí, že nová antibiotika na nejzávažnější nemoci nebudou včas vyvinuta.

Navíc je otázkou, po jaké době by si bakterie na nové léky zvykly, a lidstvo by bylo zase na začátku. To je motor pro týmy vědců po celém světě, které nehledají nová antibiotika, ale snaží se najít jinou metodu, jak nad bakteriemi vyzrát. Klíčem je pochopit, jak spolu bakterie komunikují. 

Americká molekulární bioložka Bonnie Bassler před dvaceti lety zjistila, že přestože bakterie nemají žádné smyslové orgány, vědí, co se kolem nich děje a jsou schopné komunikovat. Základem je proces quorum sensing (QS). Volně přeloženo jako „vnímání počtu“. Bakterie se zkrátka dokážou spočítat. Poznají, kolik jich je, a tomu přizpůsobí své chování. Například začnou produkovat jedy, čímž rozpoutají boj, který může vést ve výsledku k úmrtí jejich hostitele.

„Bakterie byly od svého objevu v sedmnáctém století po dlouhou dobu považovány za jednobuněčné primitivní formy života, kdy se každá bakteriální buňka chovala nezávisle na ostatních. Lidé se dřív domnívali, že to jsou pasivní organismy, ale ony mají širokou škálu sofistikovaného chování,“ říká Irena Pátková, která se na Přírodovědecké fakultě UK zabývá právě bakteriální komunikací.

Přiznáváte, že máte bakterie ráda. I ty tzv. „zlé“?

Je potřeba si uvědomit, že bakterie jsou nezbytnou součástí zemského ekosystému, účastní se zejména rozkladných procesů, čímž napomáhají koloběhu látek v přírodě (tzv. rozkladači/dekompozitoři). Bez nich by život na naší planetě nebyl možný.

Navíc dělení na zlé a hodné bakterie je malinko zavádějící. Všechny mohou být patogenní, tedy způsobit nějakou nemoc. Dělíme je na primární – tedy ty, které způsobí nemoc vždy (např. cholera), a sekundární, u kterých záleží víc na tom, v jaké je jedinec kondici. Oslabený organismus nemusí přežít běžnou nemoc. Například někdo půjde do nemocnice se zlomenou nohou a zemře tam na zápal plic.

V léčbě mnohých nemocí, na které se v minulosti umíralo, byl přelomový objev penicilínu a s ním i antibiotik. Letos v únoru zveřejnila WHO seznam bakterií, na které již antibiotika nezabírají. Trvalo nám tedy necelé století, abychom tento objev vyčerpali? 

Antibiotikum, to už dávno není jen penicilín. Je jich mnoho a na každou nemoc zabírají trochu jiné. Nicméně pesimistické odhady tvrdí, že zhruba za padesát let nebudou už antibiotika fungovat na žádné nemoci. Navíc se již nyní vracejí ty, o kterých jsme si mysleli, že už jsou vymizelé, např. spalničky nebo některé typy gangrén. Problém je v tom, že geny zodpovědné za odolnost vůči antibiotikům jsou uložené v malých kruhových molekulách DNA, tzv. plasmidech, které se v bakteriální populaci šíří velmi snadno. Viz schéma:


Autor: Irena Pátková

Jak spolu bakterie komunikují?

Nejprobádanější a nejpřesněji popsaný způsob komunikace u bakterií je již zmíněný systém quorum sensing. Bakterie vypouštějí do okolního prostředí chemické látky a zároveň mají v buněčné stěně receptor, který vnímá koncentraci této látky v prostředí. Díky tomu se bakterie stejného druhu dokážou „spočítat“. Pokud zjistí, že dosáhly určitého počtu, začnou se chovat jako jeden muž. To znamená, že v tu chvíli udělají nějakou společnou reakci. Například začnou společně masivně kolonizovat sliznici svého hostitele nebo produkovat jed.

Jsou bakterie jednoho druhu rovnocenné? Případně je v jejich společenství nějaký vůdce nebo „královna“, jako například ve včelím úlu?

Zatím to vypadá, že mají všechny stejné postavení. Zajímavé je, že i v bakteriální populaci stejně jako ve včelím úlu dochází k „dělbě práce“. Ukázalo se, že ve skupině jsou jedinci specializovaní třeba na tvorbu slizovité mezibuněčné hmoty, která pak chrání populaci před vlivy prostředí, dále pak bakteriální buňky specializované na produkci enzymů nebo existují jedinci, kteří jsou v případě kalamity schopni se proměnit ve vysoce odolné spory a zajistit, že alespoň část populace přežije (např. spory antraxových bakterií mohou přežívat několik desítek let). Také víme, že se ve skupině velmi často objevují bakterie, které se komunikace pomocí signálních látek neúčastní – buď signální molekuly neprodukují, nebo na ně nereagují. V anglicky mluvící odborné literatuře jsou možná trochu ošklivě a neprávem nazývány jako „cheaters“, tedy podvodníci.

Co z toho tito podvodníci mají?

Většina procesů spojená s bakteriální komunikací představuje pro bakteriální buňku nemalou zátěž. Komunikace bakterie vysiluje. Ty, které se nezapojují, se jednoduše z nějakých nám doposud skrytých důvodů šetří. Jak je řečeno výše, možná je za podvodníky považujeme neprávem, výzkum je teprve na začátku a my zatím vůbec nedokážeme říct, zda v bakteriálním společenstvu nemají nějakou jinou, zatím neobjevenou důležitou funkci, třeba právě zvýšenou odolnost.

Mohou mezi sebou komunikovat i vzdálenější druhy?

Mohou a komunikují. Během dvaceti let, kdy o chemické bakteriální komunikaci víme, byly popsány tři základní systémy QS a jeden z nich je „specializovaný“ právě na mezidruhovou komunikaci. Navíc, jak naznačují nejnovější výzkumy, QS nejspíš představuje jen pomyslnou špičku ledovce; je velmi pravděpodobné, že bakterie mezi sebou komunikují i jinými způsoby na mnohem jemnějších a propracovanějších úrovních.

Takhle komunikují, tedy vytvářejí můstky, mikroorganismy E. coli, které máme ve střevech.

Takhle komunikují, tedy vytvářejí můstky, mikroorganismy E. coli, které máme ve střevech

Například pomocí plynných těkavých signálů nebo prostřednictvím tzv. nanotubul, kdy bakterie mezi sebou vytvoří malé dočasné můstky, kterými si vyměňují živiny nebo informace. Zjistilo se, že tyto můstky mezi sebou vytvářejí bakteriální buňky i velmi vzdálených druhů.

Může být právě pochopení bakteriální komunikace řešením k léčbě závažných nemocí?

Ano. My v to doufáme. Zejména u některých chronických vleklých typů nemocí, například cystické fibrózy. U tohoto genetického onemocnění hraje zápornou roli Pseudomonas aeruginosa, neškodná půdní bakterie, naprosto běžná pro většinu zdravých jedinců. U postižených lidí se usazuje v plicích a dýchacích cestách, kde kolem sebe vytvoří hutný neprostupný slizovitý obal, kterým se žádný lék není schopný probourat.

Velmi důležitou roli zde hraje právě komunikace prostřednictvím systému QS, pomocí něhož se buňky spočítají, a když zjistí, že jich je dostatek, spustí produkci složitých chemických sloučenin, ze kterých je tvořen již zmíněný neprostupný obal. 

Bakteriální kolonie na živném agaru (přírodní polysacharid) s glukózou

Léčit bychom se tedy mohli tím, že „skočíme bakteriím do řeči“, tedy jim zabráníme v komunikaci. Máte představu, kdy by se mohly poznatky z vědecké práce vaší a vašich kolegů využít v praxi? 

Pokud se budeme bavit na úrovni komunikace QS, lze předpokládat, že by šel použít „vychytávač“ signální látky, který by třeba v případě cystické fibrózy zabránil bakteriím se spočítat, a tím pádem by nebyly schopné se ani schovat před působením léků.

To je ovšem, jako v případě každého léku, běh na dlouhou trať. Může se jednat řádově až o desítky let. To, že nám něco funguje v laboratoři, neznamená, že to tak půjde i mimo ni. Musíme si uvědomit, že bakterie ve svém přirozeném prostředí (což je i tělo hostitele) nikdy s výjimkou některých masivních infekcí nežijí izolovaně. Na jednom místě žijí zpravidla stovky druhů (například v ústní dutině zdravého člověka žije cca pět až šest set mikrobiálních druhů).

Jedná se o rozsáhlou časoprostorovou síť rozmanitých vztahů, mezi jednotlivými druhy probíhají spolupráce, boje, snášení se a nesnášení, utiskování a zabíjení. Je to tak obrovský systém, že se nedá zkoumat uceleně. My v laboratoři jsme schopni zkoumat chování čisté kultury, případně vztahy jen malého, velmi omezeného počtu druhů. A to ještě za uměle nastavených, pro bakterie v podstatě nepřirozených podmínek. Proto se vývoj léků může zdát tak zdlouhavý.

Každopádně vás mohu ujistit, že co se týče společenského života bakterií a jejich komunikace, je to na poli dnešní mikrobiologie velmi moderní a trendy téma, kterým se zaobírá obrovské množství špičkových týmů po celém světě. Můžeme se tedy těšit na spoustu nových a zajímavých poznatků ze života bakterií, které jistě budou mít velmi pozitivní dopad i v klinické praxi.

Mgr. Irena Pátková

Vystudovala Přírodovědeckou fakultu UK.

V rámci doktorského studia se zabývá bakteriální komunikací.