O nanostrzykaweczkach – i nie tylko

„Tygrysa zabić, a skóry nie zniszczyć” – tą maksymą Grigorija Saakaszwilego, znanego nam wszystkim gruzińskiego czołgisty, co to został Polakiem, można podsumować działanie systemów sekrecyjnych u bakterii gramujemnych.

Systemy sekrecyjne bakterii gramujemnych to swoiste aparaty molekularne transportujące czynniki zjadliwości na zewnątrz ich komórki lub przynajmniej na zewnątrz błony komórkowej, a więc do peryplazmy. W kilku przypadkach (tzw. systemy III, IV i VI) pozwalają nawet precyzyjnie „wstrzyknąć” te czynniki (zwane efektorami) do innej komórki, np. komórki gospodarza, u którego właśnie ma się rozwinąć zakażenie lub nadszedł czas zaszachować wrodzoną odpowiedź immunologiczną albo ustanowić zakażenie sytuacją dla danego gospodarza nie tyle piorunującą, co raczej już chroniczną – m.in. dzięki owym efektorom systemów sekrecyjnych. Potrafią one też tak skutecznie zmienić metabolizm naszej komórki (np. nakazać nabłonkowi jelita żyć długo, mimo że najbezpieczniej dla nas byłoby, gdyby się po prostu złuszczył), że robi ona dokładnie to, co służy bakterii, jej namnożeniu i dalszym zakażeniom, a nie naszemu dobrostanowi.

Misterna konstrukcja
Obecnie nie ma już miesiąca bez doniesień o odkryciu coraz to nowszych wariantów tychże systemów. Głównych znamy już sześć. Próba zsumowania wszystkich na potrzeby tego felietonu przypomina trochę próbę napisania przewodnika po serach francuskich. Dzielić je można – tak samo jak i sery – po smakach albo po regionach, czyli według tego, co wstrzykują, albo tego, jak wyglądają i skąd pochodzą. Ten ostatni podział prowadzi nieszczęśliwca, który spróbował się z nim zmierzyć, do przekonania, że my nędzne ssaki to mamy zwykłą „prościznę”, a nie strukturalne wysublimowanie i sznyt. Bowiem konstrukcja nanostrzykawek systemów sekrecyjnych jest imponująca.

Nie chodzi w niej tylko o to, żeby przetransportować często niemałe polipeptydy efektorów poprzez osłony bakteryjne (a u bakterii gramujemnych składają się na nie: błona komórkowa, warstwa peptydoglikanu zanurzonego w peryplazmie i domknięta błoną zewnętrzną z jej lipopolisacharydem). Potem jeszcze trzeba się delikatnie przebić – przynajmniej w przypadku systemów typu III, IV i VI, przez błonę komórki atakowanej. Jak wspomniałam, nie chodzi jedynie o to, by te polipeptydowe efektory o niemałym stopniu hydrofilowości przetransportować w poprzek lipofilowych błon. Porównując wielkości, z którymi mamy do czynienia podczas tej operacji, to są raczej cienkie jak nić ramiona niż strzykawki. Te same zatem białka efektorów systemów sekrecyjnych trzeba najpierw odpowiednio „zapakować”. Tak, aby z łatwością można je było przepchnąć przez te cienkie rurki
– których przekrój bywa czasem i dwukrotnie mniejszy niż średnica samych efektorów – i aby mogły znaleźć się po drugiej stronie.

Na tym nie koniec. Wyobraźmy sobie pałeczkę ropy błękitnej. Otóż Pseudomonas aeruginosa ma pięć z sześciu dotąd opisanych systemów sekrecyjnych, co więcej: w jednej bakteryjnej komórce niektóre występują w kilku odmianach lub kilku nieidentycznych kopiach. A zsyntetyzowane efektory wraz z niezbędnymi, częstokroć stróżującymi je białkami typu czaperonów, muszą wiedzieć dokąd iść i którędy wyjść, czyli który system sekrecyjny jest stworzony specjalnie dla nich. W świecie nieubłaganych praw ewolucji wszystko, co nie przynosi korzyści, przynosi szkodę, gdyż kosztuje i obniża szansę na skuteczne pomnożenie własnych kopii. Do dziś nie do końca wiadomo, dlaczego efektory „wybierają” ostatecznie ten, a nie inny system. W pewnych sytuacjach, np. w systemie sekrecyjnym typu III (TTSS), wielopoziomowa regulacja ekspresji genów kodujących białka strukturalne, budujące mikrostrzykaweczkę, a następnie efektory i ich czaperony, zapewnia skuteczne wytwarzanie tylko tego, co w danym momencie jest potrzebne. Ogólne regulatory metabolizmu komórki bakteryjnej (np. reagujące na poziom dostępnego tlenu, poziom żelaza, poziom ATP/ADP itp.) sterują całością przy współuczestnictwie receptorów czynników zewnętrznych, takich jak temperatura czy zetknięcie z receptorem na komórce gospodarza, czyli np. ludzkim enterocytem. Nie zawsze jednak to, że jedne geny co do ekspresji są „wczesne”, a inne „późne” jest takie oczywiste.

Szerokie pole badań
Wszystkie mechanizmy, które są niezbędne, aby poprzez rozległe spectrum transporterów przepłynęły liczne polipeptydy, generują w nauce całkiem nowe pole badawcze, w którym z pewnością czeka nas jeszcze sporo niespodzianek. Skoro porównania genomów bakteryjnych wskazują, że 25-30 proc. wszystkich, produkowanych przez komórkę bakterii gramujemnej białek znajduje swój docelowy adres w błonach wewnętrznej i zewnętrznej, cały czas wiele pozostaje do odkrycia. Na marginesie warto dodać, że ustalenie, ile tych białek jest w błonie i ile jest transportowanych na zewnątrz, może się odbywać wyłącznie in silico, czyli dzięki działaniu stosownych programów komputerowych. Bowiem, aby w błonę się wbudować albo się przez nią „przesadzić”, trzeba mieć w białku charakterystyczne moduły. Takie sekwencje białkowe można rozpoznać na podstawie kodujących je sekwencji DNA. Dziennie sekwencjonuje się już pewnie z 10 genomów bakteryjnych, zatem baza danych do poszukiwań jest ogromna.

Inna sprawa, że pokazanie, iż coś „może” się w błonę wbudowywać, nie pozwala jeszcze na szczegółowe opowiedzenie, jak aparat transportujący wygląda molekularnie czy działa ani nawet skąd się wziął. Inne programy komputerowe zdolne są porównywać sekwencje aminokwasowe białek pod względem pokrewieństwa ewolucyjnego, ale systemy sekrecyjne są tak wyspecjalizowanymi grupami wysoko zorganizowanych kompleksów białkowych, że od swych przodków zdążyły istotnie odbiec. Czasami jednak dają się rozpoznać jakieś ślady. Tak jest w przypadku zmodyfikowanej wici, czyli systemu typu III czy zmodyfikowanego pilusa, czyli systemu typu IV. Bywa jednak i tak, że zwyczajne, takie sobie porównywanie, zwane w żargonie „blastowaniem”, nie jest w stanie znaleźć żadnych homologii (pokrewieństw) i niezbędne jest modelowanie struktur przestrzennych białek w oparciu o krystalografię znanych już innych, tym razem prawdopodobnie analogicznych struktur. Wtedy może się okazać, jak niedawno w przypadku systemu typu VI, że jest całkiem podobny do aparatu iniekcyjnego bakteriofagów, takich jak fag T4. To ta nóżka wystająca z kapsydu, która „wstrzykuje” do komórki bakteryjnej DNA wirusa. Dotąd nie udało się jednak wykazać, że system sekrecyjny typu VI jest w stanie transportować kwasy nukleinowe.