Baktérie plné prekvapení – od upírskych nanotrubičiek k mŕtvym duchom

Poznáme sa už niekoľko rokov, ale keď som sa pripravovala na tento rozhovor, predsa si ma prekvapil. Ako sa človek, ktorý vyštuduje jadrovú chémiu, dostane k mikrobiálnej genetike?

Nie je život taký zaujímavý a pestrý práve preto, že je také ťažké predpovedať, ktorým smerom sa vyvinie? Bol som v poslednom ročníku odboru jadrovej chémie a mal som už podpísanú pracovnú zmluvu ako asistent, aby som mohol zostať na katedre. V tom čase prišiel na návštevu na katedru riaditeľ Ústavu molekulárnej biológie a prejavil záujem o končiaceho jadrového chemika, ktorý by pomohol rozbehnúť v tom čase nové metódy sekvenovania DNA, na ktoré sa používali rádionuklidy.

Bolo to ešte za socializmu, kedy neexistovala nezamestnanosť. Keď niekto nemal zamestnanie, tak mu štát pridelil umiestenku, napríklad do Jaslovských Bohuníc, kde bola naša prvá jadrová elektráreň. Moja spolužiačka, ktorá nechcela ísť pracovať do jadrovej elektrárne ma uprosila, aby som zobral tú ponuku a ona dostala moje miesto na katedre. V žiadnom prípade neľutujem, že som sa preorientoval na molekulárnu biológiu.

Nedávno sa ti podarilo publikovať článok v Nature Communications ako jednému z korešpondujúcich autorov. O čom je? 

Článok (5) je o bakteriálnych nanotrubiciach, ktoré boli objavené už pred desiatimi rokmi (1). Tieto útvary boli charakterizované ako lipidické trubičky vychádzajúce z bakteriálnych buniek do priestoru, s dĺžkou niekedy aj 50-krát väčšou ako dĺžka samotnej bunky baktérie. Priemer nanotrubíc je približne 70 nm.

Aké funkcie boli pred publikovaním vašej štúdie bakteriálnym nanotrubiciam pripisované?

Tieto dlhé a úzke trubičky boli popísané ako spôsob, ktorým bakteriálna bunka skúma svoje okolie, ale aj spôsob ako sa môžu spojiť s inou bunkou buď toho istého druhu, alebo aj s úplne odlišnou, dokonca aj využiť ich na spojenie s eukaryotickou bunkou.

K unikátnym schopnostiam nanotrubíc sa radili aj procesy prenosu DNA, RNA a bielkovín medzi bunkami rôznych baktérií, ako aj „upírske“ vysatie živín z ľudských buniek. Prenos DNA cez nanotrubice bol určený aj ako ďalší spôsob šírenia antibiotických rezistencií medzi rôznymi druhmi baktérií. Problémom pri skúmaní nanotrubíc v živých bunkách bolo, že tieto útvary sa vyskytovali v malom množstve (3, 4).

S akými očakávaniami sa vedec púšťa do takéhoto projektu – keď ide o (zdanlivo) dobre prebádanú oblasť?

Na začiatku nášho výskumu bolo očarovanie PhD študenta Jirku Pospíšila bakteriálnymi nanotrubicami, ktoré už vtedy rezonovali v mikrobiológii niekoľko rokov. Jirka je z laboratória Libora Krásneho z Mikrobiologického ústavu Akadémie vied Českej republiky. Výskumné zameranie Liborovho laboratória je v inej oblasti mikrobiológie, ale našťastie nechal Jirkovi voľnú ruku pri skúmaní bakteriálnych nanotrubíc. Jirka si predsavzal, že zistí ako vznikajú nanotrubice v Bacillus subtilis (modelovom organizme, v ktorom boli aj prvýkrát popísané). 

Ako sa Jirkovi vo výskume darilo? Kedy ste vlastne začali spoluprácu?

Po pár rokoch intenzívneho výskumu, keď Jirka nevedel, ktorým ďalším smerom sa pustiť, chcel využiť našu expertízu s membránovými doménami a aj našu mikroroskopiu s veľmi rýchlou kamerou. Počas mnohých rôznorodých experimentov sme však dokázali nájsť nanotrubice len vo veľmi ojedinelých prípadoch.  Keď sme sledovali bunky na agare (na tuhej pôde), dokázali sme zachytiť asi tak jednu nanotrubicu z tísicok buniek. Skúsili sme preto aj sledovanie v roztoku (v tekutej pôde).

To znie celkom frustrujúco, neuvažovali ste, že to po toľkých pokusoch vzdáte?

Áno, vedec niekedy nevie ako ďalej. Ale raz sa bunky na sklíčku trochu hýbali, tak sme pritlačili krycie sklíčko a zrazu vybehli nanotrubice z mnohých buniek. Čím väčšou váhou sme pôsobili, tým viac nanotrubíc vznikalo a mnohé mimoriadne dlhé, rádovo dlhšie ako samotné bunky. Tiež sme si všimli, že bunky strácajú kontrast a stávajú sa priesvitnými vo fázovom kontraste čo svedčí o tom, že zomierajú a vznikajú tzv. ghost cells – duchovia.

Čo to znamená? Ako ste interpretovali tieto zistenia vášho výskumu?

Naše výsledky sú vo veľkom protiklade s predtým publikovanými zisteniami. To 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 ako tlak, alebo ich vystavíme pôsobeniu antibiotík. Bakteriálna bunková stena dokáže vo vnútri bunky udržať tlak až dvadsiatich atmosfér (približne 10-krát väčší tlak ako je v pneumatikách auta). Pokiaľ ale dôjde k narušeniu steny, buď mechanicky alebo pôsobením antibiotík, ďalšie udržanie tak 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 tom okamihu, ako bunka vystrelí nanotrubicu, bunka zomiera. To znamená, že tvorba nanotrubíc nie je riadený biologický proces ako bolo popísané predtým. Priložené videá v článku ukazujú unikátne zábery z fluorescenčného mikroskopu, 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.

Čo nám tieto zistenia môžu priniesť?

Toto zistenie, ako aj ďalšie opísané výsledky zo štúdie ukazujú, že baktéria nanotrubice s veľkou pravdepodobnosťou nevyužíva na výmenu rôznych biologických látok, ale že je len „post mortem“ prejavom stresovanej a umierajúcej bunky. Dôležité tiež je, že nanotrubice v uvedenej štúdii boli sledované v celom spektre rôznych baktérií, a tak majú tieto zistenia široký dopad na celý odbor mikrobiológie.

Tieto výsledky sú prelomové aj zistením, že sa nemusíme báť bakteriálnych nanotrubíc, ktoré doteraz boli považované za spôsob, ktorým sa môžu prenášať antibiotické rezistencie medzi rôznymi baktériami. Nemusíme sa ani obávať baktérií ako zlodejov živín z našich buniek. Výsledky tejto 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 komunikácii.

Čo ťa pri tejto práci najviac prekvapilo, mal si taký ten moment, kedy si si povedal „tak toto je veľký objav“?

Bakteriálne nanotrubice boli považované za najväčší objav posledného desaťročia v mikrobiológii. Rôzne úlohy nanotrubíc sa začali udomácňovať a mohli by sa už označovať aj ako vedomosti z učebníc. Neviem, či som mal ten pocit, že naša práca “je veľký objav”. Skôr som mal pocit, že naše výsledky sú koniec “veľkého objavu”.

Má to ale ten pozitívny podtón, že veda je úžasná aj v tom, že sa dokáže sama opraviť. Niekedy veda môže nabehnúť na vedľajšiu koľaj, ako v prípade rôznych biologických úloh tých našich bakteriálnych nanotrubíc, ale vždy budú existovať vedci, ktorí budú pochybovať trochu viac, budú sa snažiť ísť ďalej a zistia nezrovnalosti, ktoré môžu viesť k lepšiemu vysvetleniu pozorovaných javov.

Čo bude ďalej s nanotrubicami? Vieme o nich už teraz všetko, alebo máte ďalšie otázky, na ktoré budete hľadať odpovede?

Na jednej strane sa môže zdať, že naše výsledky sú začiatkom konca veľkého príbehu o „zázračných“ vlastnostiach nanotrubíc. Na druhej strane, mnohé podobné útvary v baktériách môžu mať reálnu funkciu napr. extrabunkové vezikuly (lipidické útvary guľovitého tvaru), alebo tzv. nanowires – nanodrôty, ktoré slúžia na diaľkový extracelulárny (mimobunkový, pozn. red.) transport elektrónov. Toto si určite bude vyžadovať ďalší výskum.

O to zaujímavejšie sa zdajú nanotrubice aj vo vyšších organizmoch, ktoré hrajú významnú úlohu napríklad v invázii rakoviny, alebo zohrávajú významnú úlohu v imunitnom systéme. Tiež bolo ukázané, že nanotrubice majú veľa podobných vlastností ako nervové synapsy a sú dokonca považované za útvary, ktoré sú predchodcami nervového systému (2).

Imrich Barák

Je vedúcim Oddelenia mikrobiálnej genetiky na Ústave molekulárnej biológie Slovenskej akadémie vied. Pochádza z Nových Zámkov. Vyštudoval odbor Jadrová chémia na Prírodovedckej fakulte UK v Bratislave. Pôsobil na zahraničných pracoviskách ako University of Georgia v USA, University of York a University of Oxford vo Veľkej Británii, University of Cagliari v Taliansku a na EPFL, Lausanne vo Švajčiarsku. Je jedným zo zakladateľov občianskej iniciatívy “Veda chce žiť!”. Koncom minulého roka publikoval výsledky svojej práce v časopise, ktorý je snom mnohých vedcov (Nature Communications) a jeho práca získala ocenenie Cenu Dr. Ludmily Sedlárovej-Rabanovej.

Rozhovor pripravili Dominika Fričová a Dominika Hroššová.

Link na článok: https://www.nature.com/articles/s41467-020-18800-2

___
Referencie:

1 Dubey, G. P. a Ben-Yehuda, S. (2011) Intercellular nanotubes mediate bacterial communication. Cell 144, 590–600.

2 Nussenzveig, H.M. (2019) Are cell membrane nanotubes the ancestors of the nervous system? Eur. Bioph. J. 48, 593–598.

3 Pande, S. a kol. (2015) Metabolic cross-feeding via intercellular nanotubes among bacteria. Nature Communications 6, 6238.

4 Pal, R. R. a kol. (2019) Pathogenic E. coli extracts nutrients from infected host cells utilizing injectisome components. Cell 177, 683–696 e618.

5 Pospíšil J. a kol. (2020) Bacterial nanotubes are a manifestation of cell death. Nature Communications 11: 4963. doi: 10.1038/s41467-020-18800-2

___

Viac informácií o Žijem vedu nájdete tu, na Facebooku na stránke Žijem vedu, na Twitteri, LinkedIne alebo Instagrame.