Bakterie mogą pobierać DNA ze środowiska oraz wymieniać materiał genetyczny między sobą. W wyniku tego procesu, zwanego rekombinacją, mogą zyskiwać oporność na antybiotyki lub skutecznie opierać się działaniu szczepionek. Mimo iż proces rekombinacji został odkryty prawie sto lat temu, to dopiero dzięki sekwencjonowaniu DNA - metodzie pozwalającej odczytać kod genetyczny - zaczęliśmy zdobywać wiedzę na temat tego, jak często ten proces zachodzi i jak duże zmiany wywołuje.

Wykorzystując fragmenty DNA szczepów bakteryjnych naukowcy mogą stworzyć ewolucyjne drzewo genealogiczne, pokazujące, w którym momencie bakterie zdobyły nowe geny i jak wpłynęło to na ich ewolucję. Wiedza ta jest szczególnie przydatna w analizie bakterii chorobotwórczych, z którymi walczymy wykorzystując szczepienia. Dzięki sekwencjonowaniu możemy analizować ewolucję bakterii i w oparciu o te informacje próbować przewidywać, kiedy i gdzie pojawią się szczepy oporne na antybiotyki lub niewrażliwe na działanie szczepionek.

„Jeżeli chcemy przewidzieć jakiś proces, to dobrze byłoby wiedzieć, jaka była jego historia” - mówi dr Rafał Mostowy, naukowiec pracujący na Imperial College of London. „Jeżeli potrafimy zrozumieć dokładnie, jak ten proces kształtował się przez miliony lat, możemy zgadywać, jak będzie wyglądał w przyszłości” – dodaje.

Dr Mostowy prowadzi badania mające na celu wyjaśnienie, w jaki sposób rekombinacja DNA może wpłynąć na szybkie uodpornienie się pneumokoków na działanie szczepionek. Pneumokoki, czyli bakterie z gatunku Streptococcus pneumoniae, są główną przyczyną zapalenia płuc, ale powodują także zapalenie opon mózgowych i zapalenie ucha. Światowa Organizacja Zdrowia szacuje, że nawet milion dzieci poniżej piątego roku życia może umierać co roku z powodu chorób wywołanych tym patogenem.

„W zachodniej Europie wprowadziliśmy szczepionki, które chronią dzieci. Problem polega głównie na tym, że bakteria ta jest niesłychanie różnorodna. Ma około stu różnych odmian i szczepionka nie chroni nas przeciwko wszystkim” - mówi dr Mostowy. Dodatkowo naukowcy zauważyli, że bakterie mogą ewoluować, zmieniać swoją powierzchnię i dzięki temu stawać się nierozpoznawalnymi dla naszego układu odpornościowego. Jeśli zarazimy się nową formą pneumokoka, szczepienie nie uchroni nas przed chorobą. Zmiany te mają podłoże genetyczne i pojawiają się m.in. w wyniku rekombinacji.

„Moim celem z punktu widzenia medycznego jest próbować przewidzieć, czy istnieją geny, które mają większe prawdopodobieństwo pojawienia się i wykorzystanie tej wiedzy, by być jeden krok przed pneumokokiem. Musimy pamiętać, że gdy my próbujemy pozbyć się bakterii, to one próbują na to reagować. Szukają nowych rozwiązań, zaczynają się mieszać i tasować geny, znajdują nowe kombinacje, które pozwalają im przetrwać w naszym organizmie” - wyjaśnia badacz.

Wyniki badań dr Mostowego opublikowane w zeszłym roku w "PLOS Genetics" pokazały m.in. że pneumokoki mogą zmieniać się w bardzo szybkim tempie. Analizy ewolucyjne różnych szczepów pokazały również, że bakterie przechodziły przez dwa rodzaje rekombinacji – mikro i makro. W ramach mikro rekombinacji bakterie regularnie wbudowywały w swój materiał genetyczny małe ilości nowego DNA. Nowe fragmenty, ze względu na swoją wielkość, nie wpływały znacząco na ich genom. Jednakże w przypadku rekombinacji makro, która występowała rzadziej, za to wiązała się z wbudowaniem dużej ilości nowego materiału genetycznego, wpływ na bakterie był dużo bardziej znaczący. Naukowcy spekulują, że to właśnie dzięki rekombinacji makro bakterie mogą zmieniać swoją powierzchnię i przez to skutecznie wymykać się szczepionkom oraz stawać się niewrażliwymi na działanie antybiotyków.

„Przede wszystkim chciałbym dobrze zrozumieć ogromną różnorodność bakteryjną i to, w jaki sposób wymieniają się one genami” - podsumowuje swoją pracę dr Mostowy. „Obecnie dostępne szczepionki są skuteczne w zapobieganiu chorobom pneumokokowym i naprawdę warto szczepić naszych najmłodszych. Celem moich badań jest jeszcze lepsze zrozumienie, jak bakterie będą w przyszłości się zmieniać w odpowiedzi na te szczepionki tak, aby nie mogły nas niczym zaskoczyć. Ale w tym celu musimy poznać cały ocean różnorodności mikrobiologicznej, który w nas żyje. I m.in. nad tym będę pracować przez najbliższe kilka lat” - mówi dr Mostowy.

Magdalena Richter: Co skłoniło Cię do badania ewolucji bakterii?

Dr Rafał Mostowy: Z wykształcenia jestem fizykiem teoretycznym. Po mojej pięcioletniej przygodzie z fizyką, w trakcie której nie zobaczyłem ani jednego punktu danych, zrobiłem doktorat z biologii ewolucyjnej. Kolejnym krokiem były choroby zakaźne. Zacząłem zajmować się bakteriami, bo bardzo interesował mnie problem mieszania genów w przyrodzie. To jest problem, który dotyczy również i ludzi. My mamy kombinacje genów mamy i taty. Moja przygoda z bakteriami zaczęła się od pytania: ciekawe dlaczego ten proces zachodzi również w bakteriach? Wszedłem w świat danych, żeby spróbować odpowiedzieć na to pytanie używając sekwencji kodu DNA bakterii.

M.R.: Jak pracujesz na co dzień?

R.M.: Nie jestem biologiem doświadczalnym. Jestem biologiem teoretycznym. Używam w pracy kombinacji różnych narzędzi: głównie bioinformatycznych, symulacji komputerowych. Czyli generalnie używam komputera, żeby zrozumieć biologię. Wyniki eksperymentów dostaję przez maila. Jest cała działka mikrobiologii, która wymaga ludzi, znających się na statystyce, na metodach komputerowych, matematycznych, na używaniu języków programowania. Jest to bardzo ciekawa działka i osoby z wykształceniem matematyczno-fizycznym mają duże pole do popisu. Jestem bardzo interdyscyplinarnym naukowcem.

M.R.: Czyli Twoje badania wyglądają tak, że dostajesz bazę danych, bazę sekwencji DNA różnych szczepów bakteryjnych wyizolowanych od pacjentów. Co z nimi robisz?

R.M.: Te zestawy są nieobrobione, trzeba je poskładać. W dzisiejszych czasach sekwencjonowanie polega na tym, że tnie się DNA na wiele małych kawałeczków i te kawałki się składa w całość. Zupełnie jak puzzle. Jeżeli mamy sekwencje dobrze zbadanego organizmu, to analizę można porównać do patrzenia na okładkę pudełka puzzli. Patrzymy, gdzie te puzzle pasują i łączymy je. To jest całkiem proste. Ale sekwencjonując nowe gatunki nie mamy tej okładki i nie wiemy jak je składać. I to są dosyć skomplikowane analizy.

To, co zazwyczaj dostaję, to worek puzzli. Zazwyczaj nie dostaję nawet pudełka, tylko informacje, że np. jest to obrazek drzewa. Często osoby, które przesyłają mi puzzle, nie są nawet do końca pewne, czy to w ogóle jest drzewo. No i tak zaczyna się cały proces składania elementów biologicznych, żeby zobaczyć całość. Jest to bardzo fascynujące, ale też niesamowicie czasochłonne, pracochłonne i wymagające mnóstwo energii. Kiedyś było tak, że długo robiło się eksperyment, a analiza przebiegała w pięć minut. Dzisiaj eksperymenty robi się szybciutko, a analiza zajmuje wiele miesięcy.

M.R.: Do czego przydają się nam wyniki sekwencjonowania?

R.M.: Jeżeli np. jest epidemia grypy, to możemy wykorzystać różnorodne, skomplikowane narzędzia matematyczne, żeby przeanalizować sekwencję genetyczną wirusa i przez to zrozumieć, gdzie pojawiła się choroba. Z bakteriami jest podobnie. Używając tych analiz można zbadać np. proces przekazywania szczepów pomiędzy ludźmi, zobaczyć, jak często się to odbywa, jak często w tym procesie powstają mutacje odpornościowe, jak często bakterie wymieniają się genami.

M.R.: Kto finansuje Twoje badania?

R.M.: Aktualnie rozpoczynam grant, który dostałem od Imperial College London. Grant ten jest przyznawany w ramach konkursu na najlepsze projekty podoktorskie. Dostaję pieniądze na trzy lata badań i mogę je w ramach badań wydawać praktycznie, jak chcę. Mogę zarządzać tym budżetem. To jest tzw. Junior Research Fellowship, czyli jestem niezależnym naukowcem, ale nie jestem wykładowcą.

M.R.: Czyli nie jesteś zatrudniony na stałe na uczelni?

R.M.: Nie, mój kontrakt jest 3-letni. Ale na Imperial i tak nie ma etatów. Profesor może wylecieć w każdej chwili. To jest ich filozofia. Ich argument jest taki, że zatrudniają tylko najlepszych. Jeśli jesteś bardzo dobrym naukowcem, to na pewno Cię nie zwolnią. Atmosfera może być stresująca, ale dzięki temu są oni w ścisłej czołówce instytucji naukowych.

M.R.: Gdzie prowadzisz badania?

R.M.: W Londynie w szpitalu św. Marii. To jest ten szpital, w którym Aleksander Fleming odkrył penicylinę. Będę również współpracował z Instytutem Sangera w Cambridge i robił badania w Centre for Genomic Pathogen Surveillence. Całe centrum powstało po to, żeby stworzyć platformę analityczną dla mikrobiologów i medyków na całym świecie, żeby móc szybko analizować nowe szczepy bakteryjne. I tak lekarz np. w Birmingham ma pacjenta z podejrzeniem takiej a takiej choroby, lekarz sekwencjonuje DNA wyizolowanej bakterii, wrzuca wyniki sekwencjonowania na stronę internetową Centrum i ona podaje mu wszystko, co musi wiedzieć: jaki to jest gatunek i szczep, na co jest oporny, jakie są struktury białkowe, jaka jest różnorodność itd. David Aanensen, mój mentor, jest szefem tego centrum. On produkuje sekwencje, które we współpracy z jego grupą będę analizować.

M.R.: Co jest tematem projektu, który właśnie rozpoczynasz?

R.M.: Rekombinacja genetyczna u bakterii. Jeżeli bakterie pobierają geny ze środowiska, powstają nowe szczepy, nowe odmiany. Najciekawsze pytanie to, skąd pochodzą te nowe geny i skąd się bierze ta różnorodność. To jest część projektu, który będę realizował. Hipoteza jest taka, że one pochodzą od blisko spokrewnionych bakterii, dobrych bakterii, które nam nie szkodzą. Ta hipoteza rodzi wiele pytań. Bo okazuje się, że nie da się oddzielić dobrych od złych bakterii, nie ma czerni i bieli w przyrodzie, w mikrobiologii i medycynie. W jaki sposób więc leczyć i zwalczać bakterie, które powodują choroby, jeżeli one mogą wymieniać się genami z dobrymi bakteriami? Czym naprawdę jest gatunek bakterii, skoro one często zamieniają geny i powstają nowe gatunki? To są pytania na pograniczu biologii ewolucyjnej i medycyny, na które nie znamy jeszcze odpowiedzi.

Rozmawiała Magdalena Richter

PAP - Nauka w Polsce

ekr/ mrt/

***

Tekst jest jednym z efektów programu Rzecznicy nauki, zorganizowanego przez Centrum Nauki Kopernik i Fundację British Council. Program umożliwia nawiązanie współpracy pomiędzy popularyzującymi wiedzę naukowcami a dziennikarzami zajmującymi się sprawami nauki. Biolog molekularny Magdalena Richter w ramach Rzeczników nauki przygotowuje teksty o badaniach prowadzonych przez młodych naukowców, pracujących za granicą.