Antybiotykooporność - grzeszna walka z bakteriami

Sezon grypowy trwa w najlepsze, a wahania temperatur zwiększają ryzyko zachorowania. Najczęściej są to choroby wirusowe jak wyżej przytoczona grypa. Bardzo często pacjenci myślą, że najlepszy na nią będzie antybiotyk. Niestety, ale nie będzie. Trzeba powtarzać i powtarzać, że antybiotyki to kilerzy tylko i wyłącznie bakterii (w niektórych przypadkach i grzybów, ale tutaj chcę się skupić na bakteriach). 

https://www.zmescience.com/science/33000-people-die-every-year-in-europe-due-to-antibiotic-resistant-bacteria/

Odnoszę wrażenie, że ogólnie ludzie lubią brać leki, nie zawsze z koniecznością ich zażycia. Warto tutaj przytoczyć wysoki wskaźnik zażywania leków przeciwbólowych. Szacuje się, że w 2015 roku Polacy kupili około 115mln opakowań przytoczonych farmaceutyków. My po prostu nie lubimy mieć problemu jakim jest ból. Podobnie sprawa kształtuje się, jeżeli chodzi o leczenie chorób wirusowych. Zdecydowanie zbyt łatwo sięgamy po antybiotyki, nie zdając sobie sprawy, jak potężną broń wyciągamy. Skutkiem tego jest zauważalna rosnąca oporność bakterii na farmaceutyki. Niestety wprowadzenie nowego leku na rynek przeciętnie zajmuje około 20 lat, więc nie jesteśmy w stanie szybko zaradzić temu problemowi. Co możemy zrobić? Wydaję mi się, że najlepszą opcją jest zrozumienie mechanizmów i świata, który nas otacza - świata mikro.  

Ewolucja dzieje się na naszych oczach 

I zdecydowanym tego przykładem są bakterie. Te mikroby rosną niesamowicie szybko, ale przede wszystkim, sprawnie dzielą się na pół, w wyniku czego mamy już nie jedną, a dwie bakterie. Szybkość wzrostu jest charakterystyczna dla gatunku. Pseudomonas natriegens to morski mikrob, który podzieli się na 2 bakterie w zaledwie 9,8 minuty. To tak jakby 9 miesięcy ludzkiej ciąży porównać do 9,8 minut. Nowa bakteria oczywiście musi zwiększyć swoją objętość, rozpocząć produkcję nowych białek, osiągnąć charakterystyczną gęstość, po czym znowu się dzieli. Taki rodzaj rozmnażania nazywamy bezpłciowym, bo nie wymaga on obecności gamet, czyli charakterystycznych komórek płciowych. Dzięki tak szybkiemu obiegowi materiału genetycznego między następującymi po sobie pokoleniami, naukowcy są w stanie zaobserwować pojawiające się mutacje i ich wpływ na ogólną ewolucję gatunku. W przypadku ludzi jest to niemożliwe, aby obserwować wyraźne zmiany homo sapiens na żywo. My jesteśmy tylko wycinkiem jednej wielkiej linii. Natomiast w przypadku bakterii sprawa wygląda inaczej. Dysponujemy dość dużą liczebnie populacją, która dodatkowo bardzo szybko się rozmnaża. Obserwowanie zmian w kolejnych pokoleniach jest zatem o wiele prostsze.  

Podział komórek bakteryjnych
https://cz.depositphotos.com/106550972/stock-video-cells-and-bacteria-under-microscope.html

Podział komórki na dwie potomne sam w sobie nie zmienia materiału genetycznego w pokoleniu potomnym. Zmiany między liniami komórkowymi są potrzebne, bo umożliwiają dostosowanie się do zmiennych warunków środowiska, nabycie pożądanej cechy lub zniwelowanie w jakimś stopniu cechy, która utrudnia przeżycie w otoczeniu. Normalnym zjawiskiem jest crossing-over, które polega na rekombinacji materiału genetycznego. W jego wyniku fragmenty takich samych chromosomów mieszają się między sobą, co w efekcie daję rekombinację genów znajdujących się na tych fragmentach. Bakterie niestety chromosomów nie mają, więc i wyżej wymienione zjawisko u nich nie zachodzi. Materiał genetyczny bakterii przedstawia się zgoła inaczej niż o nim myślimy. Bazą jest kolista cząsteczka DNA, która mylnie nazywa się chromosomem bakteryjnym (mylnie, bo można pomyślić z takim chormosomem jak chociażby u człowieka). Inną nazwą, mniej mylną, ale znaczącą to samo, jest genofor. Jest on umieszczony na specjalnie wydzielonym miejscu w komórce, który dla odróżnienia innych obszarów, nazywamy nukleoidem.  

Koniugacja 2 bakterii 
http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-3-genetics/32-chromosomes/prokaryotic-genetics.html

Co ciekawe, oprócz bazowego DNA, bakterie mają również plazmidy. One są swobodnie rozrzucone w objętości komórki. Również to koliste cząsteczka DNA, ale zdecydowanie mniejsze od genoforu i niosące o wiele mniej informacji o genach. Najczęściej kodują informacje o cechach, które pomogą przetrwać bakterii, takich jak chociażby lekooporność. Bakterie mogą sobie zakodować, że będą oporne na ten i na ten związek, a następnie przekazać tę informację kolejnym pokoleniom, ale i mają umiejętność przekazywania również między sobą tak kluczowych wiadomości. Dzieje się to dzięki pilom, które są “wyrostkami powierzchni komórki bakteryjnej”. Wystarczy, że spotkają się 2 bakterie posiadające pile, a między nimi zawiąże się tzw. mostek koniugacyjny. Przez niego jedna bakteria (dawca) przekaże drugiej (biorca) podwojony wcześniej (fachowo mówiąc - zreplikowany) materiał genetyczny. Dzięki koniugacji przekazywane są plazmidy, a bakterie uczą się nowych umiejętności jak chociażby prozaiczna oporność na beta-laktamy.  

Właśnie tak wygląda koniugacja
https://www.researchgate.net/figure/Spread-of-Plasmid-Based-Resistance-via-Bacterial-Conjugation_fig1_308487781

Innym przykładem zwiększenia różnorodności genetycznej bakterii jest transdukcja. Tutaj bakteria potrzebuje pomocy faga, czyli wirusa, który ma zdolność do atakowania bakterii. Wyróżnia się kilka rodzajów transdukcji, zależnej od cyklu życiowego wirusa. W dużym skrócie, wirus może prowadzić cykl lityczny lub lizogeniczny. Za każdym razem jego materiał genetyczny wbudowuje się w materiał genetyczny gospodarza. W pierwszym cyklu komórka gospodarza jest doprowadzana do lizy, czyli rozpadu, a w drugim wirus bytuje przez jakiś czas w komórce, a dopiero później doprowadza ją do śmierci. Wbudowanie w materiał genetyczny gospodarza jest potrzebne, aby DNA/RNA wirusa replikowało się dzięki replikacji gospodarza. Wirus sam w sobie nie ma mechanizmów, które umożliwiłyby replikację jego własnego materiału genetycznego, więc musi żerować na innych. Transdukcja może zajść tylko przy udziale fagów, bo kiedy pod koniec cyklu składają wszystkie swoje elementy w pojedyncze jednostki, fragmenty DNA bakterii mogą zostać wbudowane w główkę wirusa, przez co nosi on materiał genetyczny mikroba. Taka transdukcja nazywana jest transdukcją ogólną, kiedy materiał genetyczny wybierany jest losowo. Mamy również transdukcję poronną i specyficzną. W pierwszym przypadku DNA przenoszone od dawcy do biorcy za pośrednictwem faga umieszczane jest w komórce w postaci niezmienionej jako kolistą cząsteczkę, a nie pocięte fragmenty. W transdukcji specyficznej przenoszone są fragmenty materiału genetyczne, które w sposób fizyczny były zlokalizowane obok istotnych do dalszego ataku genów faga. Jest ona specyficzna, bo przenoszone są konkretne odcinki, a nie losowe.  

Horyzontalny transfer genów
https://www.researchgate.net/figure/The-major-modes-of-horizontal-gene-transfer-HGT-in-bacteria-Transduction-conjugation_fig23_300643526

Bardzo ciekawym sposobem transferu genów jest transformacja komórek bakterii. Polega ona na rozpoznaniu przez receptory na powierzchni ściany komórkowej materiału genetycznego znajdującego się w otoczeniu zewnętrznym. Jego głównym źródłem są obumarłe bakterie, ale i możliwość uwalniania materiału do środowiska przez komórki. Następnie materiał genetyczny jest opłaszczany przez białka, które chronią go przed degradacją DNA we wnętrzu bakterii. Następnie fragment jest wbudowywany do komórki i przekazywany następnym pokoleniom. 

Dzięki wachlarzowi możliwości, którymi dysponują bakterie, mogą się w łatwy sposób dopasowywać do ekstremalnych warunków panujących w środowisku. Właśnie tak “rodzi się” ich oporność na leki. Niepotrzebne zażywanie antybiotyków po pierwsze prowadzi do niszczenia naszej naturalnej mikroflory jelitowej, której odbudowanie zajmuje nawet kilka lat, ale przede wszystkim, daje możliwość bakteriom na i w naszym ciele do swobodnej transformacji. Warto też zaznaczyć, aby trzymać się długości terapii antybiotykiem wyznaczonej przez lekarza. Zdarza się, że odstawiamy antybiotyk po 3 dniach, bo już poczuliśmy się lepiej. Niestety to tylko odczucia. Często populacja patogenów nie została wybita w całości i odstawienie antybiotyku przed zalecanym końcem terapii daje bakteriom swobodę do wymiany swoich genów i zdobywania oporności na dany antybiotyk. Wtedy też obserwujemy nawrót choroby, na który nie działają zapisane wcześniej antybiotyki. Jest to skutek ewolucji bakterii i ich niesamowitego sprytu. Stanowi to problem ogólnoświatowy, a walka z nim zależy od świadomości społeczeństwa.


Bibliografia

http://science.sciencemag.org/content/257/5073/1064
https://mmbr.asm.org/content/74/3/417.full
http://laboratoria.net/pl/artykul/Horyzontalny%20transfer%20gen%C3%B3w%20-%20si%C5%82a%20nap%C4%99dowa%20ewolucji%20bakterii;22624.html