Człowiek kontra bakteria – dziennik z linii frontu

Niedawno pisałem o wzrastającym ryzyku związanym z ewolucją szczepów bakterii odpornych na działanie antybiotyków – po części jest to naturalny proces ewolucyjny, po części jednak skutek naszego nieodpowiedzialnego stosowania antybiotyków. Kilka tygodni temu ogłoszono* wyizolowanie związku chemicznego mogącego dostarczyć nam przewagi – przynajmniej na razie – na jednym z odcinków frontu wojny ludzi z bakteriami. Jest to dobra okazja, żeby przyjrzeć się na spokojnie „mechanicznemu” aspektowi tej walki. Kolejne jej etapy świetnie ilustrują starożytną maksymę militarną, zgodnie z którą każda broń powoduje powstanie anty-broni, która z kolei… i tak dalej. Idźmy po kolei.

Krok 1: bakteria atakuje człowieka

Klebsiella pneumoniae to jeden z tysięcy gatunków mikroorganizmów, które stale w większej czy mniejszej liczbie zaludniają zdrowe organizmy ludzkie. Jej naturalnym środowiskiem życia jest przede wszystkim błona śluzowa jamy ustnej oraz jelit. Tam populacje bakterii tego gatunku są pod czujną kontrolą naszego organizmu oraz setek innych gatunków bakterii, z którymi Klebsiella żyje w jako takiej harmonii, w trudzie i znoju wywalczając sobie swój kawałek języka czy kosmka jelitowego. Problem pojawia się wtedy, gdy kolonie tej bakterii trafią do płuc, których nabłonek przystosowany jest do „zarządzania” nieco innym zestawem mikrobów. U osób z osłabioną odpornością może prowadzić to do nadmiernego namnażania się populacji Klebsielli, czego efektem jest bakteryjne zapalenie płuc.

Krok 2: człowiek stosuje antybiotyk

Aby skutecznie zaatakować wroga, należy go dobrze poznać. Klebsiella, jak wszystkie bakterie, otoczona jest warstwą wytrzymałego, opornego chemicznie związku o nazwie peptydoglikan (stosowana jest też bardziej obrazowa nazwa „mureina”, co od razu słusznie kojarzy się ze ścianą komórkową). Mureina to związek zbudowany z bardzo dużej ilości podobnych do siebie podjednostek – a więc polimer – trochę podobny do innych znanych z biologii polimerów, np. celulozy. Jego siła i skuteczność jako pierwszej linii obrony wynika przede wszystkim z dużej liczby połączeń między podjednostkami polimeru oraz zdolności bakterii do przemodelowania tych połączeń w odpowiedzi na bodźce. Jest to coś jak ceglana ściana, w której układ cegieł i ogólna architektura muru mogą zostać w każdej chwili przekształcone.

Ryc. 1. Klebsiella pneumonia w stanie naturalnym. Powiększony po prawej stronie fragment jej ściany komórkowej jest właśnie rozbudowywany o nową podjednostkę mureiny przez cząsteczkę DD-transpeptydazy (na rysunku przedstawiona z tubką kleju).

Komórkowymi „nanorobotami” wykonującymi wszelkiego typu prace chemiczne w komórkach są enzymy; jednym z enzymów odpowiedzialnych za łączenie ze sobą podjednostek mureiny jest zaś DD-transpeptydaza. Grupa antybiotyków o nazwie β-laktamy działa poprzez fizyczne „zablokowanie” fragmentu powierzchni DD-transpeptydazy odpowiedzialnego za „manipulację” podjednostkami mureiny, prowadzącą do powstanie solidnego polimeru. W rezultacie, po „nasączeniu” ściany komórkowej jakimś  β-laktamem (a należą do nich m.in. penicyliny oraz mniej znani bohaterowie tej opowieści – karbapenemy) ustaje więc regeneracja ściany komórkowej i po pewnym czasie bakteria dosłownie „wypływa” z własnego pancerza.

Ryc. 2. Cząsteczka antybiotyku z grupy karbapenemów (na rysunku przedstawiona z przepychaczem do zlewu) próbuje zablokować działanie DD-transpeptydazy.

Krok 3: bakteria unieczynnia antybiotyk

Choć bakterie to na pozór tylko małe sztywne kuleczkowate kombinaty chemiczne, są to kombinaty ewoluujące. Teraz, gdy infekcje bakteryjne stanowią rosnące niebezpieczeństwo dla naszego gatunku, możemy pomstować na zdolność mikroorganizmów do ewolucji, jednak nie zapominajmy, że pomstujemy tym samym na zdolność naszych własnych pradziadków do stania się nami. W odpowiedzi na rosnące zagrożenie β-laktamami, bakterie nauczyły się unieczynniać te związki chemiczne poprzez produkcję enzymów o nazwie β-laktamazy. Związki te dokonują czysto fizycznego rozcięcia (technicznie: hydrolizy) pierścienia β-laktamowego, czyli tego kluczowego „serca” antybiotyków β-laktamowych, który zapewnia ich działanie.

Ryc. 3. Cząsteczka β-laktamazy (na rysunku przedstawiona z nożyczkami) próbuje rozciąć pierścień β-laktamowy w cząsteczce antybiotyku.

Penicyliny zostały „rozpracowane” przez bakterie w ciągu ok. 20 lat od momentu wprowadzenia tych antybiotyków na rynek. Choć Alexander Fleming odkrył penicylinę już w 1928 roku, jej produkcja była przez długie lata żmudna i mało wydajna; jeszcze w 1942 roku jeden pacjent leczony eksperymentalnie penicyliną przeciwko infekcji streptokokowej otrzymał połowę całego zasobu penicyliny produkowanego przez Merck & Co. – jednego z większym producentów tego antybiotyku. Dorothy Hodgkin, wybitna chemiczka i laureatka Nagrody Nobla, „odczytała” strukturę atomową penicyliny w 1945, co doprowadziło do błyskawicznego wzrostu tempa jej produkcji (co pokazuje, swoją drogą, że choć pierwszy krok czy nawet pierwszy wielki skok można zrobić „po ciemku”, to jednak stabilny, triumfalny marsz medycyny zasilany jest systematyczną wiedzą na temat materialnych podstaw życia).

Już w latach 60. XX wieku wiele antybiotyków z grupy penicylin przestało być skutecznych i od tego czasu trwają nieustanne prace nad doskonaleniem ich struktury chemicznej lub próbą obejścia opisanego wyżej mechanizmu bakteryjnej antybiotykooporności. Dużym krokiem na drodze do uzyskania kolejnego zwycięstwa nad bakteriami było odkrycie karbapenemów – zaskakująco skutecznych związków, mimo że od penicylin różni je zaledwie drobna modyfikacja chemiczna.

Krok 4: człowiek rozbraja bakterię

Pierwszy karbapenem dopuszczony do użytku (było to w 1985 roku) – imipenem – początkowo „trzymał się twardo” i przez długi czas uważano, że karbapenemy jako takie są dla bakterii znacznie poważniejszym wyzwaniem niż penicyliny. Już pod koniec lat 90. pojawiły się jednak szczepy bakterii potrafiące „rozciąć” ten związek za pomocą specyficznej grupy β-laktamaz – metalo-β-laktamaz, w których „brudna robota” rozcinania pierścienia β-laktamowego wykonywana jest przez – uwaga! – cząsteczkę wody przytrzymywaną pod odpowiednim kątem przez atomy cynku przytwierdzone w odpowiednim miejscu do cząsteczki enzymu. Okazało się to zabójczą metodologią, ponieważ dopiero kilka tygodni temu ogłoszono odkrycie związku chemicznego zdolnego do unieczynnienia metalo-β-laktamazy.

Historia tego odkrycia, uczciwie zreferowana w cytowanym tu artykule, jest sama w sobie dość pouczająca. Pracownicy Uniwersytetu McMaster w Ontario w Kanadzie prowadzą od lat „bibliotekę” związków chemicznych wyekstrahowanych z mikroorganizmów glebowych. Stosowana jest strategia „siłowa”, tj. przechowywane są wszelkiego typu związki dający się wymyć przy użyciu ich ulubionego rozpuszczalnika (dimetylosulfotlenek) z dowolnego przyłapanego w próbce gleby mikroorganizmu. Uzyskano w ten sposób kolekcję ok. 500 fiolek z najróżniejszymi substancjami pochodzenia naturalnego.

Wykonano więc „prosty” eksperyment: do 500 naczyń, w których szczęśliwie namnażały się bakterie odporne na meropenem – wybrany przez nich antybiotyk z grupy karbapenemów – wlano śmiertelną dawkę tegoż antybiotyku oraz pewną ilość ekstraktu z jednej z 500 fiolek. Okazało się, że bakterie skutecznie poradziły sobie z obecnością antybiotyku w pożywce w 499 przypadkach. To jedno naczynie, w którym bakterie wyginęły, zawierała – jak się okazało – związek wyizolowany z kropidlaka różnobarwnego (Aspergillus versicolor), mało kłopotliwego i pospolitego mieszkańca gleb całego świata. Związek ten to aspergillomarazmina A i jego działanie polega na „zdrapaniu” atomów cynku z powierzchni metalo-β-laktamazy, przez co nie jest ona w stanie rozcinać pierścienia β-laktamowego w cząsteczce meropenemu. Proste, prawda?

Ryc. 4. Cząsteczka  aspergillomarazminy A (na rysunku przedstawiona z młotkiem) próbuje rozbroić cząsteczkę  β-laktamazy.

Co dalej?

Trwają oczywiście prace nad dopuszczeniem do użytku antybiotyków karbapenemowych wzbogaconych o aspergillomarazminę A. Produkowanie takich „mieszanek” nie jest samo w sobie rewolucją. W Polsce popularny jest choćby Augmentin (który ja sam kilka tygodni temu podawałem swojemu synowi), w którym działanie antybiotyku amoksycyliny (z grupy penicylin) zostaje „wzmocnione” poprzez kwas klawulamowy. Jest to dokładnie ta sama historia z uniemożliwieniem bakterii rozcinania pierścienia β-laktamowego.

Jak zaznaczyłem na wstępie, szersze perspektywy rozwoju antybiotykoterapii zostały już omówione przy innej okazji, nie ma więc sensu poruszać tutaj tych samych kwestii. Niniejszy artykuł miał raczej na celu pokazanie „mechanicznych” podstaw wojny między ludźmi a bakteriami. Okazuje się, że za hermetycznym nazewnictwem i odstręczającą początkowo złożonością biochemii kryje się tak naprawdę logika, którą świetnie znamy z militarnej historii ludzkości. Nie wiem, czy biotechnolodzy czytują Sztukę wojenną Sun Zi albo O wojnie Carla von Clausewitza. Może powinni?

Łukasz Lamża