Учені дуже багато років підслуховують розмови тварин. Орнітологи за голосом можуть впізнати пернатого співака. Морські зоологи б’ють на сполох, що через людину кити нормально і «порозмовляти» в океані не можуть1. Врешті-решт, кожен гордий власник кота знає, яке конкретне «няв» означає «корм, негайно». А чи спілкуються між собою менші істоти — бактерії, наприклад?
Таємна мова бактерій
Варто почати з того, що таке бактерії. Відповідь на це — ключовий момент розуміння того, як ці крихітні створіння спілкуються. Бактерія — це повноцінний організм, що складається всього з однієї . Ця клітина має ще й доволі примітивну будову, якщо порівнювати з клітинами еукаріотів. Бактерії не мають оформленого ядра. Фактично, їхня ДНК «плаває» між іншими структурами. Уявімо, що бактерійна клітина — це оупен-спейс офіс, а ДНК — це бос, що сидить в офісі, безпосередньо спостерігає, комунікує з працівниками й реагує на все, що відбувається навколо. Еукаріотична клітина (наприклад, одноклітинна інфузорія туфелька) — офіс, в якому ДНК-бос має свій окремий кабінет — ядро — і постійно перебуває там, тільки надсилаючи працівникам інструкції у вигляді мРНК. Комунікація, безперечно, є, але вона не така швидка й динамічна. З багатоклітинними організмами все ще складніше: це гігантські корпорації з безліччю офісів, цехів, відділів та внутрішньою мережею зв’язку між ними.
Отже, повертаємось до нашого оупен-спейс офісу прокаріотичної бактерії. У цієї істоти немає органів чуття, щоб якось «відчути» присутність собі подібних. Вона не може до них доторкнутись, побачити чи понюхати, але комунікація відбувається, і в цьому безпосередньо задіяний ДНК-бос. Комунікацію між бактеріями прийнято називати відчуттям кворуму. Це здатність розпізнавати й реагувати на зміну чисельності популяції бактерій навколо за рахунок регуляції генів.
Практично це реалізується так: живе собі бактерія, виділяє у середовище (АІ), ділиться, «нащадки» теж починають видяліти назовні АІ. Момент істини настає тоді, коли концентрація АІ стає більшою за порогову: «остання крапля» падає — і бактерії раптом починають «розуміти», що їх достатньо багато для зміни поведінки. Оскільки все в клітині регулюється ДНК-босом, то він тут безпосередньо задіяний: достатня кількість автоіндуктора «розв’язує йому руки» і дозволяє давати нові інструкції для клітини.
Історія відкриття цього явища чудово підходить для подальших пояснень. Відчуття кворуму було спочатку описане для морських бактерій Vibrio fischeri на початку 1970-х років. Ці організми цікаві тим, що мають здатність до , тобто світяться за певних умов. Вони можуть жити незалежно або в симбіозі з деякими морськими тваринами (наприклад, головоногим молюском Euprymna scolopes) і, відповідно, «підсвічувати» їх. Серія експериментів з Vibrio fischeri 1968 року2 виявила, що перенесення свіженьких клітин у старе рідке середовище, де колись росла культура цих самих бактерій, викликає у них світіння. А Кеннет Нельсон і Джей Вудланд Гастінґс у 1970 році вчені описали, що біолюмінесценція не відбувається в середовищі, де мало клітин3. Після аналізу Нельсон припустив, що в середовищі накопичується щось, що в певній мінімальній кількості викликає світіння. У середовищі, де перебуває (або перебувала) достатня кількість бактерій, накопичується автоіндуктор. ДНК-бос після отримання інформації у вигляді великої кількості автоіндуктора надає вказівку до «виробництва» ферменту люциферази, що забезпечує люмінесценцію. Варто зазначити, що між ДНК та АІ є посередники — транскрипційні фактори. Це своєрідні секретарі у клітини, вони безпосередньо з’єднуються з АІ або іншими компонентами, а тоді вже впливають на ДНК.
Хімічна мова спілкування бактерій чимось схожа на людську: як у різних народів мови можуть бути схожі або відмінні, так і у бактерій ці автоіндуктори можуть бути ідентичні, схожі або зовсім різні за своєю хімічною природою. АІ можуть взаємодіяти з ДНК навіть без секретарів — транскрипційних факторів, а через інші молекулярні механізми. Є бактерії, що розуміють лише «рідну мову» свого виду, а є такі собі поліглоти, що можуть реагувати на сигнали від інших видів. Навіть є бактерії, що «підслуховують»: вони не можуть самі створити автоіндуктор, але здатні реагувати на збільшення концентрації АІ іншого виду бактерій у зовнішньому середовищі.
Про що «говорять» бактерії
Про що можуть говорити одноклітинні організми, які навіть ядра не мають? Хоч би як дивно це було, у них досить багато тем. Процеси, які контролює відчуття кворуму — це біолюмінесценція, споруляція, компетентність, виробництво антибіотиків, утворення біоплівки та секреція факторів вірулентності.
Про біолюмінесценцію вже згадувалось, і це цілком безпечна здатність мікроорганізмів, ще й виглядає доволі красиво. Проблема в тому, що це чи не єдиний процес, що контролюється відчуттям кворуму і не може зашкодити людині. Пройдемося по всіх по черзі.
Споруляція — здатність бактерії утворювати навколо себе непроникну оболонку, «бункер», щоб пережити несприятливі умови (цікаве про це тут і тут).
Компетентність — здатність бактерій поглинати чужорідну ДНК і використовувати її для створення нових білків чи інших продуктів. Це ніби бактерія взяла чужу флешку з кодом, але генетичним, запустила на своєму комп’ютері — клітині — й отримала інструкцію для виготовлення чогось нового.
Обидва ці процеси потребують протилежних сценаріїв поведінки бактерій, тому вони взаємовиключні. Якщо клітина формує спору, вона не може поглинати чужу ДНК, і навпаки. Не дивно, що відчуттям кворуму в бактерій Bacillus subtilis водночас регулюються і споруляція, і компетентність. Bacillus subtilis виробляє дварізні види автоіндуктора, які регулюють два різні шляхи поведінки: компетентність і спороутворення.
Чому ці два стани небезпечні для людини? Спори спочивають у ґрунті, вони майже не знищуються звичайною термічною обробкою, тому можуть легко проникнути в організм людини навіть після приготування їжі. Здатність передавати фрагменти ДНК між бактеріями — одна з основних причин антибіотикорезистентності (раджу зазирнути сюди). Хоча Bacillus subtilis відносно безпечна (може трохи картоплю попсувати, деякі продукти злегка «отруїти»), вона не є такою класичною, добре відомою загрозою для людини (іншими словами, не є патогеном). Проте у світі бактерій все настільки мало досліджено, що відсутність експериментів щодо відчуття кворуму в родичів-патогенів Bacillus subtilis не гарантує, що інші бактерії не «перешіптуються» між собою, як найшвидше нас вбити за рахунок, наприклад, обміну новими генами токсинів під час стану компетентності.
Антибіотики — це препарати, що рятують тисячі життів щодня, проте їхні «творці» першочергово використовують ці сполуки з цілком протилежною метою. Бактерії продукують антибіотики у природних умовах для знищення інших видів бактерій, що конкурують з ними за середовище існування. Вчені висувають припущення, що регуляція процесу утворення антибіотика у ґрунтових бактерій завдяки відчуттю кворуму надає їм переваги під час виживання поруч з іншими бактеріями. Будь-які процеси в клітині вимагають величезної витрати ресурсів та енергії бактерії, а тому в клітині нічого не відбувається просто так, все має свої причини. Бактерій можна назвати найбільшими прагматиками в світі живого. Як то кажуть, один у полі не воїн, тому самотня бактерія не зможе виробити достатньо антибіотику, щоб захиститись хоча б від когось. Інша справа — коли в тебе навколо ціла купа родичів, і ви гуртом зможете «відбити» атаку будь-якого конкурентного виду. Чому це проблема? Бо продукуючи антибіотичні речовини, бактерії-патогени можуть знищувати нормальні бактерії, які живуть у нас і на нас, і займати їх місце. А оскільки вони патогенні, то рано чи пізно спричинять якесь захворювання.
Чи доводилося вам витягувати зі стоячої води пластикову пляшку? Вона зазвичай слизька, неприємна і вкрита чимось схожим на брудне желе. Це желе найчастіше — біоплівка, з позаклітинних полісахаридів з розміщеними у ній бактеріями. Своєрідний гуртожиток з різних видів бактерій, які в певний момент «прилипли» до поверхні і вирішили осісти. За рахунок відчуття кворуму відбувається комунікація між тими, що опинились на поверхні пляшки, і внаслідок цих «переговорів ОСББ» бактерії починають продукувати полісахариди, що стають основою біоплівки. У цій структурі навіть залишаються спеціальні канали, через які може проходити вода та розносити повідомлення у вигляді автоіндукторів. Відчуття кворуму дозволяє бактеріям у біоплівках хімічно спілкуватися, щоб реагувати на зміни середовища, координуючи свою діяльність так, ніби вони майже багатоклітинний організм. Проблема з біоплівками така, що вони можуть утворюватись не лише у водоймах, а й в організмі людини чи тварини, а оскільки бактерії заховані у матриксі, та ще й різних видів, то вплив антибіотиків на них дуже сильно зменшується. Чистите зранку зуби? Якщо так, то вітаю, ви механічно позбуваєтесь однієї із типових біоплівок в організмі людини — зубного нальоту. Через накопичення мікроорганізмів підвищуються концентрації бактеріальних метаболітів, що призводить до захворювань зубів та ясен. Найдослідженіший балакун у товаристві з 600–700 різних видів бактерій, що живуть у нашій ротовій порожнині — Streptococcus mutans.
Усі знають, що деякі бактерії спричиняють захворювання. Найчастіше вони роблять це через утворення різноманітних факторів патогенності — білків чи інших сполук, що допомагають бактерії проникнути в організм, закріпитись там, успішно відбиватись або переховуватись від імунної системи та красти поживні речовини для власного добробуту і розмноження, спричиняючи при цьому всьому неприємності для людини. У багатьох видів бактерій саме відчуття кворуму регулює цей перехід від «просто бактерія» до «мікроскопічна вбивця». Найяскравішим прикладом активації темної сторони через відчуття кворуму є золотистий стафілокок (Staphylococcus aureus). Насправді щонайменше чверть населення планети є носіями цього мікроорганізму. Він живе на шкірі, на слизових верхніх дихальних шляхів. І все би нічого, імунна система контролює його популяцію, але в якийсь момент ми занадто перехвилюємось, поранимось, захворіємо, імунна система стане перевантажена — і все різко виходить з-під контролю: кількість клітин стафілококу збільшується, накопичується автоіндуктор і запускається процес утворення токсинів та інших факторів вірулентності, зокрема утворення біоплівки. Золотистий стафілокок спричиняє величезний ряд проблем: від фурункулів до менінгіту та сепсису. Вчені дослідили, що «німі» бактерії цього виду, які не здатні реагувати на відчуття кворуму, мають значно знижений рівень шкідливості.
Навіщо нам підслуховувати бактерій
З кожним роком проблема антибіотикорезистентності стає дедалі гострішою, нагальнішою і страшнішою. Учені всього світу думають про альтернативні способи боротьби з бактеріями. Ще в 2012 році в науковій спільноті з’явилась ідея, що вплив на відчуття кворуму у бактерій — дуже цікавий підхід до регулювання «поведінки» цих організмів. Якщо за рахунок мікробної комунікації контролюються такі шкідливі для людини процеси, як утворення факторів вірулентності чи формування біоплівок, то чи не може переривання спілкування призупинити ці процеси?
Заблокувати відчуття кворуму можна на різних етапах: зупинити процес утворення автоіндуктора, зруйнувати автоіндуктор у середовищі за допомогою ферментів, деактивувати рецептори, що вловлюють автоіндуктор або деактивувати транскрипційні фактори (ці клітинні секретарі ДНК).
Уже були проведені деякі доволі успішні дослідження in vitro («у пробірці») та in vivo («у живому»). Наприклад, додавання лактоназ (ферментів, що здатні руйнувати автоіндуктор) зменшило кількість утворених факторів вірулентності та знизило здатність формувати біоплівки у . У бактерії, що спричиняють пародонтоз, суттєво знижується здатність до утворення біоплівок (а саме вони найбільше шкодять зубам та яснам) за наявності D-арабінози, адже вона блокує перемовини між жителями цієї біоплівки.
Також не варто забувати, що крім патогенних мікроорганізмів, в організмі людини, на її шкірі знаходиться понад 39 трильйонів бактеріальних клітин, які живуть з нами в мирі. Деякі з видів мікроорганізмів, що є в нашому кишковому тракті, точно вміють утворювати автоіндуктори. Чи впливають вони на людські клітини? Чи можуть бактерії говорити з нами? Активно проводяться дослідження зі встановлення хімічної природи тих сполук, які виділяють наші «рідні» бактерії та як вони впливають на клітини кишкового тракту людини, клітини імунної системи. Звісно, це все досліджується поки in vitro на культурі клітин. Наразі вчені дійшли висновку, що відчуття кворуму й керування цим процесом є дуже перспективним напрямком для вирішення деяких хронічних проблем зі шлунково-кишковим трактом.
Минуло 50 років від перших досліджень, а ми досі надзвичайно мало знаємо про спілкування між бактеріями. Ба більше, вчені вже починають досліджувати вплив цього молекулярного перешіптування на інші організми. Ми нікуди не дінемось від бактерій. Можна навіть сказати, що ми живемо в їхньому світі, адже людина — всього один вид, а станом на 2011 рік є вже 30 тисяч офіційно зареєстрованих видів бактерій. На сьогодні оцінки кількості видів коливаються від 10 мільйонів до мільярда. Може, шепотіння цих крихітних істот впливає на світ значно більше, ніж ми можемо собі уявити, і поява «мікробіологічної лінгвістики» — це не така вже й наукова фантастика?
