Nowy front wojny z bakteriami

Choroby od zawsze nękały ludzkość. Początkowo ich przyczyny znajdowały wyjaśnienie w ludowych wierzeniach. Nie dawały one jednak zadawalające odpowiedzi. Starano się więc odnaleźć źródło chorób w obserwacji chorych. Badania stopniowo przenosiły się ze świata makroskopowego, widocznego dla oczu, coraz głębiej. Poznawanie tego, co niedostrzegalne dla zmysłów możliwe było dzięki doskonaleniu mikroskopii w XVII w., a także rozwijanym później coraz bardziej skomplikowanym metodom laboratoryjnym.

Punktem przełomowym w badaniu chorób zakaźnych było stworzenie teorii przedstawionej przez włoskiego lekarza Hieronima Fracastoro w 1546 roku. Zaproponował on pogląd, że choroby zakaźne roznoszone są przez rodzaj nasion czy zarodków, transportowanych na duże odległości. Teoria ta została potwierdzona empirycznie dopiero w XIX w. przez Roberta Kocha i Louisa Pasteura. Pierwszy z badaczy wskazał konkretne mikroorganizmy powodujące choroby takie jak wąglik, tyfus i cholera. Za badania nad tą ostatnią w 1905 roku dostał nagrodę Nobla. Ten drugi w latach 1881–1885 opracował pierwszą szczepionkę ochronną dla ludzi, skierowaną przeciwko wściekliźnie. Kolejne lata poszukiwań prowadzonych przez różnych naukowców pozwoliły wskazać szereg mikroorganizmów atakujących nasze ciało. Dotąd poznaliśmy około 530 patogennych gatunków bakterii oraz 320 gatunków grzybów. Zrozumieliśmy także po części plan, według którego działają. Potrafimy całkiem sprawnie opisać ich komórki. Jesteśmy w stanie wyróżnić struktury z których są zbudowane i przypisać im odpowiednie role. Odkryliśmy, że informacja na temat ich budowy ukryta jest w materiale genetycznym, czyli DNA. Poznaliśmy też wiele cząsteczek zlokalizowanych w komórkach, na ich powierzchni, a także wydzielanych poza nie, do otaczającego środowiska. Zrozumieliśmy ich funkcję.

Liczba publikacji naukowych wydanych od tamtego czasu mogłyby błędnie sugerować, że znaleźliśmy się na ostatniej prostej prowadzącej do całkowitego poznania patogenezy wielu chorób powodowanych przez mikroorganizmy. Jednak w nauce co jakiś czas pojawiają się odkrycia, które nieco komplikują rozumienie wydawałoby się od dawna jasnych zagadnień. Takim przełomem w mikrobiologii było uświadomienie sobie istnienia białek zwanych „moonlighting”. Istnienie takich cząsteczek po raz pierwszy zaobserwowano u człowieka w późnych latach 80, jednak odkrycie ich przedstawiciela w komórkach patogenów w 1992 roku przez Vijaykumara Pancholi i Vincenta A. Fischetti było istotnym zwrotem w rozumienia chorób zakaźnych. Zmieniło ono sposób patrzenia na dawno znane cząsteczki patogenów, które mogły skrywać swoją drugą naturę.

Świecąca niszczarka do papieru

Cząsteczki białek są jednymi z najistotniejszych molekuł biorących udział w patogenezie chorób. Obecne są zarówno na powierzchni organizmu chorobotwórczego, jak i mogą być wydzielane na zewnątrz komórki. Cząsteczki te złożone są z cegiełek zwanych aminokwasami. Kolejno ułożone tworzą łańcuch, który zwija się w określoną formę przestrzenną. Kiedy ją uzyska, jest cząsteczka jest gotowa do działania.

Wyobraźmy sobie białko, które przyczepione jest do komórki bakterii. Pewien fragment łańcucha tej cząsteczki może wiązać się z jakimś fragmentem cząsteczki obecnym na powierzchni ludzkich komórek naskórka. Wiązanie między tymi białkami może uruchomić szereg reakcji szkodzących komórce gospodarza, na przykład prowadzić do jej śmierci. W innym białku, tym razem wydzielanym poza mikroorganizm, w powstałym na skutek zwinięcia łańcucha zagłębieniu mogą zostać związane różne cząsteczki gospodarza. Białko posiadające taki dołek zwane jest enzymem, a obecne w nim aminokwasowe „mikrorączki” w różny sposób przekształcają złapane molekuły. Taki scenariusz zachodzi, gdy enzym bakteryjny wiąże, a następnie niszczy cząsteczki odpowiedzialne za nawoływanie komórek obronnych do miejsca zapalenia. Dzięki temu patogen nie musi obawiać się ataku przez system obronny.

Opisany schemat wydaje się bardzo prosty. Mamy białko. To zaś posiada swoją określoną lokalizację w komórce lub poza nią i tam pełni swoją funkcję. Jednak białka „moonlighting” wyłamują się z tego schematu. Ich cząsteczki mogą w nieznany dotąd sposób zmienić dotychczasowe lokum i znaleźć się w innym miejscu komórki niż sugeruje to ugruntowana od lat wiedza. Na przykład zdarza się im przenieść z wnętrza komórki na jej powierzchnię. W nowym miejscu zaczynają spełniać zupełnie inną rolę. Różnica w ich zachowaniu jest tak zaskakująca, jakby niszczarka do papieru leżąca w naszym biurze nagle zaczęła odpowiadać za oświetlenie gabinetu.

Duża grupa białek „moonlighting” produkowanych przez mikroorganizmy to cząsteczki należące do wspomnianych wcześniej enzymów. Część z nich to molekuły uczestniczące w stopniowej rozbiórce glukozy, która jest podstawowym źródłem energii w komórce. Można powiedzieć, że pierwotną funkcją tych białek jest ochrona patogenu przed przegrzaniem. Enzymy te biorą udział w przekształcaniu cząsteczki cukru, krok po kroku odbierając energię powstałą podczas tego procesu. Gdyby nie one, reakcje z wykorzystaniem glukozy musiałyby zachodzić w sposób gwałtowny, co dosłownie spaliłoby mikroorganizm.

Twierdze bakteryjne

Współczesne teorie zostały wywrócone do góry nogami, kiedy okazało się, że wspomniane cząsteczki, których funkcja znana jest co najmniej od 1947 r., mogą zostać zmobilizowane do walki z nami. Takie białka przedostają się na powierzchnie mikroorganizmu, gdzie wspomagają proces infekcji naszych tkanek. Jednym z enzymów rozkładających glukozę, które uczestniczą w szturmie, jest dehydrogenaza aldehydu-3-fosfoglicerynowego – w skrócie GAPD. Enzym ten obecny jest na powierzchni Gronkowca złocistego czy Dwoinki zapalenia płuc. Bakterie te wywołują różne choroby, w tym zapalenia płuc, mięśnia sercowego czy opon mózgowych. Białka takie jak GAPD uczestniczą w pierwszym etapie infekcji, polegającym na przylepianiu mikroorganizmu do komórek naszego ciała. Dzięki nim mikroby na powierzchni naszych tkanek tworzą bardzo zwarte skupiska zwane biofilmami. Takie budowle złożone są z wielu komórek, dodatkowo pozlepianych różnymi substancjami organicznymi i nieorganicznymi. Bakterie żyjące w takiej twierdzy są bardziej odporne na działanie substancji leczniczych, włączając w to antybiotyki, co znacznie utrudnia ich zabicie. Dodatkowo cząsteczka GADP jest także w stanie wspomagać pośrednio niszczenie naszych tkanek. Badania pokazały, że białko to potrafi wiązać pewien nieaktywny enzym gospodarza zwany plazminogenem. Jaką bakteria ma korzyść z tego, że wiązana cząsteczka nie funkcjonuje? Związana nieaktywna molekuła ulega łatwiejszej aktywacji, mogąc niszczyć białka budujące naszą tkankę i w ten sposób ułatwić bakterii przedostawanie się w głąb infekowanego narządu.

Innym przykładem jest enzym zwany racemazą glutaminianu. Zazwyczaj cząsteczka ta zaangażowana jest w budowę ściany komórkowej bakterii. To ona przygotowuje cegiełki wchodzące w skład tej skomplikowanej budowli otaczającej komórkę bakteryjną. Drugim, bojowym zadaniem jest ochrona mikroorganizmu przed toksycznym działaniem antybiotyku zwanego cyprofloksacyną. Ten organiczny związek chemiczny wykazuje swoje działanie bakteriobójcze zaburzając proces powielania materiału genetycznego. Tworzenie kopii DNA następuje przed każdym podziałem komórki, a nowopowstałe cząsteczki rozdzielane są do komórek potomnych. Dodatkowa funkcja białka polega na kontrolowaniu cząsteczki odpowiedzialnej za rozplątywanie materiału genetycznego, co poprzedza tworzenie duplikatu. Co prawda bakteria nie może się wtedy dzielić, ale tym samym chroni się przed toksycznym działaniem antybiotyku zaburzającego ten skomplikowany proces. To pozwala jej przeczekać aż będzie bezpieczna.

Zastraszające grzyby

Z nietypowymi funkcjami białek mamy również do czynienia w przypadku infekcji powodowanej przez grzyby. Jednym z ich przedstawicieli jest drożdżak nazywany Bielikiem białym. Wśród wielu różnych białek na jego powierzchni znajdowane jest białko Ssa1p. W normalnych warunkach cząsteczka ta egzystuje we wnętrzu komórki, gdzie troszczy się o inne białka, wspomagając ich dojrzewanie, czyli osiągnięcie odpowiedniej struktury przestrzennej. Ssa1p jest pewnego rodzaju opiekunem umożliwiającym dostanie się niedojrzałego białka do „komórkowego inkubatora”. Jednak na powierzchni grzyba cząsteczka ta spełnia zupełnie inną funkcje. Po pierwsze odpowiedzialna jest za przyczepianie drożdżaka do naszych komórek, działając podobnie jak wspomniane wcześniej białko bakteryjne. Drugim zadaniem jest bezpośrednia inwazja tkanki. Mikrob atakuje ją wykorzystując Ssa1p, podobnie jak bandyta ukrytą pod płaszczem broń. Za pomocą tego „narzędzia” drożdżak jest w stanie zmusić ludzką komórkę do niesamowitej gościnności. Tak zastraszona obejmuje mikroba swoją błoną komórkową i wciąga go do wewnątrz, a wówczas grzyb może zniszczyć ją od środka.

Biochemia cały czas odkrywa przed nami swoje tajemnice. Do takich ciągle należą białka „moonlighting”. Znalezienie nowych lokalizacji i dodatkowych funkcji bojowych dawno znanych cząsteczek było niewątpliwym przełomem w ponad dwusetnej historii mikrobiologii. By dokładniej zrozumieć, jak przebiega zakażenie, musimy poznać jak najwięcej takich białek i relacji łączących je z molekułami człowieka. Wskazanie tych najważniejszych jako krytycznych w powodowaniu chorób przyczyni się do stworzenia lepszych leków, miejmy nadzieję zastępujących np. coraz mniej skuteczne antybiotyki. Historia poszukiwania białek „moonlighting” nie kończy się – obecnie pisana jest w wielu laboratoriach na całym świecie.

Mariusz Gogól