Számoló baktériumok
Több baktériummal osztjuk meg testünket, mint amennyi saját sejtünk van. Mégis hajlamosak vagyunk elfeledkezni róluk, pedig gyakran komoly és hasznos munkát végeznek. Cikkünk első részéből kiderül, hogyan képesek világítani és számolni egysejtű albérlőink.
Általában érdekel bennünket, hogy miről és hogyan beszélnek a körülöttünk élők. A kutyák egymást hergelő ugatására és az énekes madarak válaszolgató trilláira is felfigyelünk nyári reggeleken, vagy amikor este nyugovóra térnénk. Folyik azonban egy párbeszéd, amiről hajlamosak vagyunk elfeledkezni. Vajon hol? Az előbbieknél sokkal közelebb és sokkal több résztvevővel: egyenesen testünk és a körülöttünk lévő tárgyak külső és belső felszínein. Ez a párbeszéd pedig nem más, mint a baktériumok kommunikációja.
Évtizedek során elterjedt, hogy tízszer több baktériummal élünk együtt, mint amennyi saját sejtünk van. Az ezzel foglalkozó tankönyvek még ma is ezt írják. Ám a legújabb eredmények alapján ez a szám túlzás, a mikrobák „csupán” 30%-os többségben vannak bennünk.
A baktériumok egysejtű szervezetek, Földünk egyik legősibb, legegyszerűbb, mégis legsikeresebb élőlényi. A legzordabb élettereket is meghódították, de a soksejtű élőlényeknek, így nekünk, embereknek is régóta társaink. Valójában több baktériumot hordozunk bőrünkön, testüregeinkben, különösen a bélcsatornánkban, mint amennyi saját sejtünk van.
(Forrás: Wikimedia Commons / Nicola Fawcett / CC Nevezd meg! Így add tovább! 4.0)
Beszédes albérlők
Körülbelül 1,5 kg össztömegű egysejtű albérlőnkről mindezek ellenére hajlamosak vagyunk megfeledkezni, vagy potenciális bajkeverőknek tartani őket. Azt tartjuk, hogy a legkülönfélébb betegségeinkért felelősek, és ezért fertőtlenítőszerekkel és antibiotikumokkal pusztítanunk kell őket. Ez az általánosítás viszont nem állja meg a helyét, mivel a baktériumok jelenléte elengedhetetlen a szervezet egészséges működéséhez: többek között segítenek lebontani a számunkra nem megemészthető tápanyagokat, vitaminokat termelnek, edzik immunrendszerünket. És ők alkotják a kórokozók elleni első védelmi vonalat is, például testüregeink ideális kémhatásának kialakításával. Az általuk termelt szaganyagokat pedig egyes állatok, például a hiénák az egymás közötti kommunikációjukban is felhasználják.
Hogyan képesek ezek az egyszerű egysejtű szervezetek ennyi mindenre? Amellett, hogy igen szaporák és változékonyak, nem egyedül tevékenykednek, hanem csoportokat alkotnak. A csoportokon belül pedig összetett és jól szervezett „társasági életet” élnek. Ez magában foglalja a versengést, együttműködést, vezető-beosztott viszonyt, de a csalást vagy az élősködést is. Ezekhez mind hatékony kommunikációra van szükség, ami a baktériumok esetében a környezetükbe kibocsátott kémiai anyagok segítségével valósul meg.
A környezetükbe kerülő anyagokat a sejtek érzékelhetik és reagálhatnak rájuk valamilyen külön erre a célra kifejlesztett rendszerrel. Ezeket az anyagokat nevezhetjük a szűkebb értelemben vett jeleknek. Az is előfordulhat, hogy a kémiai anyagok becsatornázódnak valamilyen általánosabb, többféle hatásra is aktiválódó jelátviteli útba. Ezek inkább környezeti hatásoknak tekinthetők. Ilyenek például az antibiotikumok vagy az egyéb általános védekező választ kiváltó anyagok (stresszfaktorok). Az előbbiekből, azaz a jelekből áll össze a baktériumok „nyelve”.
Egységben az erő: quorum sensing
A quorum szó a latin qui : aki személyes névmás többes számú birtokos esetéből honosodott meg az angolban, ahol határozatképes létszámot jelent. Ez jelöli egy adott szervezetben a tagoknak azt a számát, ami szükséges ahhoz, hogy a szervezet érvényes döntést hozhasson. Például egy társasházi gyűlésen a lakók legalább felének jelen kell lennie, hogy szavazhassanak a tervezett felújításról.
Vajon mennyire gazdag ez a kémiai nyelv, mi mindent lehet kifejezni vele? Például tudatni lehet a többiekkel, hogy „itt vagyok”. Ha mindenki jelzi a jelenlétét, akkor a sejt a társaságával arányos koncentrációban fogja a jelet. Így „megszámolhatja” mennyien vannak körülötte és ettől függően dönthet valamiképpen. Ezt a jelenséget angolul quorum sensingnek [kvórum szenszing] nevezik és az 1960-as években írták le először az Aliivibrio fischeri nevű baktériummal kapcsolatban.
Az Aliivibrio fischeri egy óceánokban megtalálható baktérium, ami szimbiózisban élhet többek közt a Hawaii környéki vizekben honos kurtafarkú tintahallal (Euprymnascolopes). Ez a tintahal éjjel táplálkozik a vízfelszín közelében. A derengő holdfény vetítette árnyékával felhívná magára a mélyből rá leselkedő ragadozók figyelmét, ha speciális fényképző szerve adta halvány derengés nem oltaná ki ezt az árnyékot. A fényképző szervben tápanyag dús közegben élnek az említett baktériumok, amik megfelelő sejtsűrűség felett fénykibocsátással járó kémiai reakcióval, úgynevezett biolumineszenciával világítanak.
(Forrás: Wikimedia Commons / Caroline Dahl / CC BY-SA 3.0)
Ezért a koncentrációfüggő működésért az úgynevezett Lux gének összjátéka a felelős. Egy tipikus quorum sensing rendszer két gént igényel, és működésének vázlata a mellékelt ábrán látható. Az egyik gén (LuxI) segítségével valamilyen jel molekula termelődik, amit a környezetbe jut, a többi sejt pedig felveszi. (Ezek a piros bogyók a képen.) Ha elég sok sejt termeli a jelet, akkor annyi lesz belőle, hogy összekapcsolódik a másik gén (LuxR) termékével (kék téglalap). Az így kialakult komplex pedig további jeltermelést és egyéb folyamatokat indít el, esetünkben a fényképzéshez szükséges anyagok termelését.
Skinhead baktériumok
Az 1960-as évek óta számos egyéb baktériumfajban is bizonyították hasonló szabályozó körök működését. Sajnos azonban nem minden baci segíti kommunikációjával a gazdaszervezetet. Jó példa erre a Pseudomonas aeruginosa, amit „skinhead bacinak” is nevezhetünk. Ezt a nevet azért érdemelte ki, mert a bőrfejűekhez hasonlóan egy egészséges környezetben elszórva néhány egyede jobbára semmi problémát nem okoz, viszont nagy tömegbe verődve aktiválódnak, bedurvulnak és szinte megállíthatatlanok. Ez általában akkor következik be, ha a szervezet legyengült, például idős, krónikus beteg vagy kórházban fekvő emberek esetén.
(Forrás: Charis Trevis / CC BY NC ND 2.0)
A biofilm mikroorganizmusok által egy felületen képzett bevonat. A sejtek benne gyakran valamilyen általuk kiválasztott kötőanyagba ágyazódnak. Alkothatja egy vagy sok faj, szerkezete egészen összetett is lehet. Biofilm például a sokáig ki nem száradó pocsolyák felszínén megfigyelhető hártya, és a fogunkon kialakuló lepedék is.
Ilyenkor az eddig kordában tartott Pseudomonasok szaporodásnak indulnak és egy adott sejtsűrűség felett quorum sensing mechanizmusuk segítségével fertőző módba kapcsolnak. Ekkor törnek, zúznak és birtokba veszik az egész környéket: méreganyagokat termelnek, és ellepik a rendelkezésre álló felületeket. Ezt úgy érik el, hogy úgynevezett biofilmet alakítanak ki égési sérülések felszínén, nehezítve a gyógyulást és növelve a további fertőzésveszélyt vagy a tüdőben súlyos tüdőgyulladást okozva. A biofilmben a baktériumok gyors mozgásra, úgynevezett rajzásra képesek és könnyebben jutnak tápanyagokhoz. A biofilm szerkezete pedig megvédi őket a külső hatásoktól, például az antibiotikumoktól. Bár ezek a biofilm nélkül sem lennének túl hatékonyak, mivel a Pseudomonas aeruginosa számos törzse az antibiotikum-rezisztens baktériumok közé tartozik.
(Forrás: Wikimedia Commons / Julio514 / GNU-FDL 1.2)
Ha egy sejt magában kezdene neki méreganyagokat vagy biofilmet termelni, ami fáradságos, sok nyersanyagot és energiát igénylő feladat, nem járna sikerrel és valószínűleg belepusztulna az erőlködésbe. Viszont ha megvárja, amíg elég társa gyűlik össze a helyszínen, együtt, közös erőbedobással már elérhetik a kitűzött célt. Hasonlóan, ahogy a klasszikus mesében is csak közös erővel lehetett kihúzni a répát a földből. Ez adja az ötletet az antibiotikumokra rezisztens baktériumok elleni küzdelem új lehetséges frontjához, az információs hadviseléshez. Kutatók ugyanis felvetették, hogy ha már a sejteket nem vagyunk képesek az eddigi gyógyszereinkkel elpusztítani, akkor quorum sensing jelek mesterségesen történő beadagolásával megtéveszthetnénk őket, míg még kevesen vannak és ártalmatlanok. Így azt hinnék előállt már a kívánt tömeg, aktív állapotba lépnének és érzékelhető eredmény nélkül halálra dolgoznák magukat.
A fentiekből látszik, hogy a baktériumok milyen sokrétű és fontos szerepet játszanak életünkben. Egyszerű, kémiai alapon nyugvó kommunikációs rendszereik segítségével például képesek megszámolni, hogy mennyien vannak. Ennek a kommunikációnak a megértése a káros baktériumok elleni védekezésben nyithat új távlatokat. Ezekre az új módszerekre szükség is van az antibiotikumokra érzéketlen kórokozók gyors terjedése miatt. Cikkünk következő részéből kiderül, hogyan beszélnek a mikrobák idegen nyelveket, miként működnek együtt a különböző fajok egymással, és hogy még a csalás sem ismeretlen a parányok közösségeiben.
Források
Alison Abbott: Scientists burst myth that our bodies have more bacteria than human cells