Znajdź zawartość

Bakteryjne biofilmy rozszerzają się, zajmując coraz większą powierzchnię szkliwa czy cewnika, wykorzystując do tego macierz pozakomórkową (ang. extracellular matrix, ECM). "Podkręca" ona ciśnienie osmotyczne w jego obrębie, prowadząc do pobierania z zewnątrz wody i wzrostu objętości. Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda ustalili, że mechanizm ten może prowadzić nawet do 5-krotnego skoku promienia niektórych biofilmów w ciągu zaledwie doby (PNAS). Nasze studium zadaje kłam popularnemu obrazowi biofilmów jako osiadłych społeczności, pokazując, jak jego komórki współpracują, by skolonizować jakąś powierzchnię - podkreśla Agnese Seminara. Na podstawie składu i antybiotykooporności wyróżniono kilka rodzajów biofilmów. Dotąd jednak nie wiedziano, jaką funkcję w zakresie ruchu komórek na zewnątrz spełniają wici oraz ECM. Choć obecność wici wiązano z większą zdolnością do poruszania się, najnowsze badania Amerykanów pokazały, że w nieznacznym stopniu sprzyjają powstawaniu biofilmu. Gdy zespół Seminary wyhodował zmutowane bakterie pozbawione wici, rozprzestrzeniały się niemal z taką samą prędkością, co niemodyfikowane mikroorganizmy typu dzikiego. Kiedy jednak mutanty nie były w stanie wydzielać ECM, wzrost biofilmu został powstrzymany. Amerykanie prowadzili badania na laseczkach siennych (Bacillus subtilis), występujących pospolicie zwłaszcza w glebie. Spekulowali, że istnieje związek między rozrostem biofilmu a zapotrzebowaniem na składniki odżywcze. Ponieważ biofilmy wchłaniają je za pomocą powierzchni wchodzącej w kontakt ze środowiskiem, wzrost w pionie może zachodzić wyłącznie do osiągnięcia określonego stosunku powierzchni do objętości. Potem nie da się odpowiednio odżywić każdej komórki, dlatego trzeba się rozciągnąć na boki. Ostateczna zmiana kształtu biofilmu zależy od wchłaniania wody pod wpływem zwiększonego ciśnienia osmotycznego i rozchodzenia komórek w poziomie. Seminara i Michael Brenner stworzyli również model matematyczny, który odzwierciedlał wiele poczynionych obserwacji. Udało się wyznaczyć krytyczny moment, kiedy zaczyna się horyzontalny ruch masy. Rodzi się naturalne w tej sytuacji pytanie: czy bakterie aktywnie kontrolują ekspansję biofilmu i mogą go skierować do wybranych celów? Odpowiedź dotyczącą manipulowania środowiskiem przez mikroby poznamy jednak dopiero po zakończeniu kolejnych badań...

Bakterie kojarzą się głównie ze śmierdzącymi substancjami, które produkują – warto wspomnieć choćby o siarkowodorze czy merkaptanach – lecz okazuje się, że organizmy te dysponują też molekularnym nosem. Zespół mikrobiologów z Uniwersytetu w Newcastle wykazał, że bakterie potrafią w ten sposób wykryć lotne związki, np. amoniak, wytwarzane przez inne rywalizujące z nimi mikroby. Zespół doktora Reinderta Nijlanda ustalił, że po "wyniuchaniu" konkurencji bakterie zaczynają tworzyć biofilm – czyli trójwymiarową kolonię zawieszoną w macierzy zewnątrzkomórkowych polimerów, która może przylegać do wilgotnych powierzchni. Z biofilmami związana jest lekooporność, stanowią one również główną przyczynę zakażeń implantów medycznych, takich jak zastawki serca, endoprotezy bioder czy nawet implanty piersi. Poza tym Brytyjczycy wspominają o tzw. biofoulingu, o którym po raz pierwszy napisano na początku XX wieku. W literaturze limnologicznej organizmy poroślowe nazwano wtedy mianem Aufwuchsmarine biofouling. Obrastanie kadłubów statków przynosi ogromne straty. Stają się one bowiem nadmiernie obciążone, co wiąże się ze zwiększonym tarciem i zużyciem paliwa. Odkrycie Nijlanda pozwoli lepiej zrozumieć mechanizm tworzenia biofilmów oraz ustalić, jak nimi manipulować dla naszych korzyści. To pierwszy dowód na istnienie bakteryjnego nosa, zdolnego do wykrywania potencjalnych konkurentów. Biofilm odgrywa ważną rolę zarówno w warunkach medycznych, jak i przemysłowych, dlatego fakt, że komórki tworzyły go pod wpływem ekspozycji na amoniak, ma kapitalne znaczenie [...]. Następnym krokiem będzie zidentyfikowanie nosa lub czujnika, który realizuje funkcję powonienia. Najnowsze odkrycie pokazuje, że bakterie dysponują co najmniej czterema z pięciu zmysłów: 1) reagują na światło, co odpowiada wzrokowi, 2) przejawiają zależną od kontaktu ekspresję genów (dotyk), 3) reagują na obecne w środowisku związki chemiczne i toksyny albo pod wpływem bezpośredniego kontaktu (smak), albo 4) stykając się z nimi przez powietrze (powonienie). Amoniak to jedno z najprostszych źródeł azotu – składnika kluczowego dla bakteryjnego wzrostu. Używając dwóch konkurencyjnych gatunków bakterii Bacillus subtilis i B. licheniformus, akademicy wykazali, że lotny amoniak stymulował tworzenie biofilmu, a siła reakcji spadała w miarę zwiększania odległości między koloniami. Zmysł węchu zaobserwowano u wielu istot, nawet u drożdży i śluzowców, ale nasze studium pokazuje po raz pierwszy, że powonienie występuje także u bakterii. Z ewolucyjnego punktu widzenia wierzymy, że to może być pierwszy przykład na to, jak żyjący organizm nauczył się wyczuwać inne organizmy – podsumowuje nadzorujący projekt prof. Grant Burgess.

Badacze z Argonne National Laboratory amerykańskiego Departamentu Energii i Northwestern University odkryli, że po zawieszeniu w roztworze pospolite bakterie mogą napędzać mikroskopijne koła zębate. Pozwala to mieć nadzieję na opracowanie zainspirowanych biologią rozwiązań energetycznych, które będą się dynamicznie dostosowywać do zmieniających się warunków. Zdolność okiełznania i kontrolowania mocy bakteryjnego ruchu jest istotnym wymogiem dla dalszego rozwoju napędzanych przez mikroorganizmy biomechanicznych systemów hybrydowych. W tym układzie koła zębate są miliony razy bardziej masywne od samych bakterii – wyjaśnia Igor Aronson. Mikroprzekładnie mają przekątną zaledwie 380 mikronów, wliczając w to także pochyłe "szprychy". Umieszcza się je w roztworze z tlenowymi laseczkami siennymi Bacillus subtilis. Andrey Sokolov z Princeton University, Igor Aronson z Argonne National Laboratory oraz Bartosz Grzybowski i Mario M. Apodaca z Northwestern University zaobserwowali, że bakterie wydawały się pływać w losowych kierunkach, ale od czasu do czasu zderzały się z zębami koła i zaczynały je obracać w oznaczonym kierunku. Przekręcenie przekładni wymagało współpracy kilkuset bakterii. Kiedy obok siebie umieszczano kilka kół, a ich wypustki zazębiały się jak w mechanizmie zegara, mikroorganizmy były w stanie wprawiać je w ruch w przeciwnych kierunkach; w parze jedno kręciło się w prawo, a drugie w lewo. Przekładnie obracały się synchronicznie nawet przez dłuższy czas. Nasze odkrycie demonstruje, jak mikroskopijne czynniki pływające, takie jak bakterie czy wykonane przez człowieka nanoroboty, mogą w połączeniu np. ze stalą czy plastikiem utworzyć inteligentne materiały, które dynamicznie zmienią swoją mikrostrukturę, zreperują uszkodzenia lub zasilą mikrourządzenia – podsumowuje Aronson. Prędkością obrotów kół da się zarządzać, manipulując zawartością tlenu w roztworze. Zmniejszając stężenie gazu, badacze spowalniali ruch bakterii i przekładni. Usunięcie go w całości zatrzymywało działanie mechanizmu. Po wprowadzeniu tlenu do układu bakterie ożywały i na nowo zaczynały pływać.

Proces ewolucji wydaje się być prosty. Osobniki nieprzystosowane do życia w danym środowisku giną, zaś te uwarunkowane korzystnie zaczynają dominować w populacji. O ile jednak zmiany takie jak np. skracanie się ogona mogą zachodzić u kolejnych pokoleń stopniowo, o tyle wyjaśnienie zmian skokowych, takich jak np. pojawienia się dodatkowej pary odnóży, jest znacznie trudniejsze. Amerykańscy badacze twierdzą jednak, że poznali możliwe wytłumaczenie tego procesu. Do odkrycia doszło podczas badania laseczek siennych (Bacillus subtilis). Autorzy studium, badacze z Caltech oraz Temple Unviersity, chcieli sprawdzić, jakie będą konsekwencje zaburzenia procesu wytwarzania przez nie endospor, czyli form przetrwalnych umożliwiających bakterii przeżycie nawet wtedy, gdy sama komórka obumrze z powodu niekorzystnych warunków środowiska. W typowej komórce B. subtilis znajduje się pojedyncza endospora. Aby nie narażać bakterii na marnowanie energii podczas wytwarzania kolejnych, endospora uwalnia substancję działającą niczym hormon informujący o jej istnieniu oraz blokującą wytwarzanie nowej formy przetrwalnej. Badacze postanowili jednak sprawdzić, co się stanie, gdy do jednego z genów odpowiedzialnych za ten proces wkradnie się mutacja. Jak się okazało, istnieją aż cztery możliwe efekty opisywanego uszkodzenia: 1. Brak zmian, tzn. wytworzenie dwóch kopii DNA, z których jedna zostaje włączona do powstającej endospory 2. Wytworzenie trzech kopii DNA i tylko jednej endospory 3. Wytworzenie dwóch kopii DNA i dwóch nieprawidłowych endospor (w tym przypadku ginęła zarówno komórka, jak i wadliwe endospory) 4. Wytworzenie trzech kopii DNA i dwóch endospor Jak łatwo zauważyć, zmiana liczby form przetrwalnych jest typową zmianą skokową, podobną np. do zmiany liczby zębów u ssaków. Jest ona jednak możliwa dzięki tzw. niepełnej penetracji, czyli pojawianiu się różnych efektów tej samej mutacji u różnych osobników. Konsekwencją tego zjawiska jest istnienie osobników różniących się między sobą pomimo posiadania identycznego genomu. Dopiero później populacja staje się bardziej jednorodna. Oczywiście należy pamiętać, że prosty eksperyment na bakteriach nie musi mieć dokładnego odzwierciedlenia w przypadku organizmów wyżej zorganizowanych. Jego wyniki są jednak interesującym dowodem na to, że pojawianie się nawet dość radykalnych zmian w fizjologii bądź wyglądzie organizmów jest jak najbardziej możliwe.

Bakteryjne biofilmy, czyli wielowarstwowe kolonie ściśle przylegające do różnego rodzaju powierzchni, charakteryzują się m.in. specjalizacją poszczególnych komórek do pełnienia różnych funkcji. Dzięki badaczom ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Harvarda udało się ustalić mechanizm regulujący ten proces u jednego z gatunków mikroorganizmów. Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda studiowali fizjologię pospolitych bakterii Bacillus subtilis. Celem studium było ustalenie dokładnego mechanizmu działania surfaktyny, czyli cząsteczki sygnałowej znanej już od pewnego czasu ze swojego udziału w tworzeniu biofilmów. Jak wykazał zespół kierowany przez dr. Roberto Koltera, zdolność do produkcji surfaktyny posiadają tylko niektóre komórki w biofilmie. Paradoksalnie, są one niezdolne do wykrywania tej samej substancji. Jakby tego było mało, druga populacja żyjąca w tym samym biofilmie jest w stanie wykrywać surfaktynę i reagować na jej obecność, lecz nie potrafi jej syntetyzować. Efektem odkrytego zjawiska jest powstanie dwóch wyraźnie odmiennych grup komórek. Choć dotychczas nie ustalono precyzyjnie funkcji każdej z nich, można przypuszczać, że podobny mechanizm może decydować o specjalizacji komórek w biofilmach tworzonych przez wiele rodzajów bakterii. Zrozumienie procesu powstawania biofilmów oraz ich wewnętrznej struktury ma niebagatelne znaczenie. Dla wielu chorobotwórczych mikroorganizmów jest to bowiem doskonały sposób na ochronę przed antybiotykami i atakami układu immunologicznego. Umiejętne manipulowanie zachowaniem takiej kolonii mogłoby w związku z tym znacząco ułatwić terapię licznych chorób wywołanych przez bakterie.

Rośliny tylko z pozoru są pasywnymi, mało "żywymi" organizmami. Kolejnego dowodu na poparcie tej tezy dostarczają amerykańscy naukowcy, który wykazali, że w wyniku infekcji korzenie aktywnie wabią odpowiednie bakterie, zdolne do zniszczenia patogenu powodującego chorobę. Badania poprowadzili wspólnie eksperci z Uniwersytetu Delaware oraz Teksańskiego Uniwersytetu Technicznego. Polegały one na analizie zachowania modelowej rośliny, rzodkiewnika (łac. Arabidopsis thaliana), podczas infekcji bakteriami z gatunku Pseudomonas syringae, pospolitego patogenu liści. W wyniku ataku mikroorganizmu liście rosliny żółkły i nabierały charakterystycznego wyglądu. Okazało się jednak, że gdy badacze po kilku dniach zaszczepili glebę wokół rośliny bakteriami Bacillus subtilis, doszło do błyskawicznego wyzdrowienia okazów rzodkiewnika. Jednocześnie zaobserwowano, że podczas infekcji szkodliwymi mikroorganizmami korzenie rośliny zaczęły wydzielać kwas jabłkowy - związek pełniący funkcję "sygnału zagrożenia" i wabiący dobroczynne bakterie do miejsca infekcji. Obserwacja zmian zachodzących podczas ataku P. syringae była możliwa dzięki wykorzystaniu dwóch zaawansowanych technik laboratoryjnych. Pierwsza z nich to uprawa hydroponiczna, czyli hodowanie roślin w roztworze substancji odżywczych, bez dostępu do gleby. Umożliwia to bardzo precyzyjne regulowanie składu pożywki, a także zapewnia możliwość stałej obserwacji korzeni i ich otoczenia. Drugą zastosowaną techniką była laserowa mikroskopia konfokalna - wyjątkowo precyzyjna technika optyczna. Zaledwie kilka instytutów badawczych na świecie może się pochwalić posiadaniem tak zaawansowanego modelu mikroskopu, jak ten zainstalowany na Uniwersytecie Delaware. Jak oceniają autorzy odkrycia, pokazuje ono, że rośliny nie są tylko pasywnymi organizmami zdanymi na łaskę i niełaskę patogenu. Rośliny są znacznie sprytniejsze, niż zwykliśmy uważać, tłumaczy dr Harsh Bais, jeden z naukowców zaangażowanych w badania. Dodaje: ludzie myślą, że rośliny, zakorzenione w glebie, są po prostu unieruchomione i bezsilne, gdy dochodzi do ataku szkodliwych grzybów lub bakterii. Odkryliśmy jednak, że rośliny posiadają sposoby na przywołanie pomocy z zewnątrz. Obecnie trwają dalsze badania, których celem będzie zdefiniowanie związków obecnych na powierzchni komórek bakterii, które odpowiadają za wywołanie odpowiedzi rzodkiewnika. Naukowcy chcą także poznać dokładny sposób przekazywania informacji z zakażonych liści od korzeni wydzielających kwas jabłkowy oraz substancji pełniących w tym procesie rolę nośnika informacji. Istnieje nadzieja, że dokładnie zrozumienie interakcji pomiędzy roślinami i sprzyjającymi im bakteriami pozwoli na "zacieśnienie" tej współpracy, co może mieć niebagatelne znaczenie przede wszystkim dla rolnictwa.

W biologii DNA uznaje się za najstarsze medium pozwalające przechowywać informacje. Zanosi się na to, że wkrótce właściwości kwasu dezoksyrybonukleinowego zostaną wykorzystane w informatyce do "składowania" tekstu, zdjęć oraz muzyki w genomie żyjących organizmów. Na łamach dwumiesięcznika Biotechnology Progress Masaru Tomita i zespół udowadniają, że DNA pozwala na trwały zapis danych. Informacje zakodowane w DNA danego organizmu są dziedziczone przez kolejne generacje. W dodatku można z nich bezpiecznie korzystać przez setki tysięcy lat. W odróżnieniu od naturalnego kwasu CD-ROM-y, pamięci typu flash czy dyski twarde stosunkowo łatwo ulegają uszkodzeniu i z dużym prawdopodobieństwem nie przetrwają poważniejszej katastrofy. W swoim raporcie Japończycy opisują metodę kopiowania i wklejania danych zakodowanych w sztucznym DNA do genomu bakterii glebowych Bacillus subtilis. Naukowcy z Kraju Kwitnącej Wiśni zademonstrowali zadziwiającą technologię, zapisując w drobnoustroju Einsteinowskie równanie E=mc2. Uważamy, że ta prosta i elastyczna metoda oferuje praktyczne rozwiązania wielu problemów przechowywania i odzyskiwania danych. Można ją w tym celu połączyć z innymi wcześniej opisanymi technikami.