O nanostrzykaweczkach – raz jeszcze, choć do końca daleko

To nie będzie, jak mogłyby sugerować śródtytuły, wprowadzenie do filozofii punk. Tematem będą… bakterie.

W ostatnim numerze „Świata Lekarza” opisywałam istotę bycia bakteryjnym systemem sekrecyjnym. Istota ta zaś mieściła się w idealnym wykonywaniu monstrualnej pracy przez powieloną tysiące razy i rozmieszczoną w osłonach komórki bakteryjnej, niezwykle wysublimowaną, nanostrukturę.

System rulezzzz!
Choć sama już konstrukcja nanostrzykawki to jeden z majstersztyków matki-ewolucji, ostatecznie pracę nad przeobrażeniem naszych komórek w inkubatory dla bakterii prowadzą nie same aparaty sekrecyjne, ale transportowane przez nie efektory. Pytanie: „po co bakteriom systemy sekrecyjne?” jest niebiologiczne (nic nie jest po coś, wszystko ulega/ło selekcji i przetrwali tylko ci najlepiej przystosowani, selekcja zaś jest wieczna), ale wykorzystując je, bakterie są w stanie całkowicie przeprogramować metabolizm naszych komórek. Na przykład Shigella flexneri z systemem typu trzeciego potrafi zmusić filamenty aktynowe do depolimeryzacji a następnie spolimeryzować je tam, gdzie jej wygodnie, a skoro w toku tyle razy wspomnianej ewolucji, zdolność szigelli do samodzielnego ruchu uległa całkowitej redukcji, to te aktynowe sznury są jej potrzebne, by się przeciągnąć z jednej zakażonej komórki do drugiej. Dzięki innemu z kolei efektorowi, Pseudomonas aeruginosa rozregulowuje działanie tzw. małych GTP-az sygnalnych (białek Rho1, Rak i CDC42). Prowadzi to do rozregulowania tak wielu ścieżek przekazywania sygnału i tak licznych konsekwencji, że jeszcze długo będziemy badać, jakie dodatkowe skutki (poza zaburzeniami adhezji, proliferacji, apoptozy i sterowania przepływem białek w komórkach) ma działanie owego efektora.

„Nic niewarte nic” czy prawie nic, a warte dużo?
Warto sobie również uświadomić fakt z zakresu prostej mechaniki, o którym wspomniałam ostatnio, że liczne systemy sekrecyjne rozwiązują problem transportowania przez długi kanał o średnicy piłki do ping-ponga, piłki tenisowej. I dają radę.

Wynik aktywności efektorów systemów sekrecyjnych jest zaś taki, że komórka niebakteryjna robi to, co „chce” komórka bakteryjna (a mnie kiedyś uczono, że „bakterie są prymitywne”, a „zwierzęta rozwinięte” – co do roślin nauczyciele na ogół plątali się w zeznaniach). Oczywiście bakteria „chce” tego, co wszyscy, czyli jak to niegdyś zgrabnie ujęto w skeczu „Hobbysta” Kabaretu Dudek: „zjeść raz dziennie coś gorącego i żeby do pierwszego starczyło”. Zatem żeruje i pasożytuje na słabszych – w wypadku krwawych biegunek czy posocznicy wywołanej przez pałeczkę ropy błękitnej – na nas. Wspominałam jednak również o systemie typu VI, który najbardziej molekularnie przypomina „nóżkę faga” – bo chyba taka właśnie była polska nomenklatura szkolna opisująca strukturę wychodzącą z kapsydu, gdy fag lambda siedział na komórce Escherichia coli i już, już miał wstrzyknąć swój materiał genetyczny by zainfekować biedną bakterię. Okazuje się, że choć podobieństwa na poziomie genów kodujących ów aparacik faga i system sekrecyjny typu VI bakterii są tak odległe, iż dopiero krystalografia białek umożliwiła wskazanie pokrewieństw obu systemów, to nadal jest on w stanie działać w tym samym celu, co jego wirusowy przodek. Systemowi typu VI udaje się bowiem transportować toksyny do innych komórek bakteryjnych, tak by te inne bakterie zabić. Okazuje się jednak, że i ta umiejętność może mieć liczne konsekwencje dla naszego zdrowia.

Po zbadaniu działania systemu sekrecyjnego typu VI w komórkach P. aeruginosa, stało się jasnym, że aktywuje się on wtedy, gdy pałeczka ma tendencję ustanawiania zakażeń chronicznych (jak np. u pacjentów cierpiących na mukowiscydozę). Stan taki bardzo ciężko jest wywołać w warunkach laboratoryjnych, stąd przez lata system typu VI dla „szkiełka i oka” pozostał ukryty. Gdy ta sama bakteria wywołuje zakażenie piorunujące (co w laboratorium łatwiej nam przybliżyć), to posługuje się głównie systemem sekrecyjnym typu III. W obu przypadkach, gdy laboratoryjne gryzonie pozwalają nam wejrzeć w naturę tych dwóch typów zakażeń, komórki pałeczki ropy błękitnej, które pozbawiono zdolności korzystania, odpowiednio z typu VI, czy z systemu sekrecyjnego typu III są szybko usuwane z organizmu gospodarza przez układ odporności i nie są w stanie wywołać żadnego zakażenia. Aktywność systemu typu VI i jej konsekwencje mogą zatem wskazywać, że powstanie zakażenia chronicznego wynika z ustania międzybakteryjnej konkurencji, z eliminacji tych, co kolonizowali gospodarza zanim pojawił się patogen. I w interesie owego patogenu jest, by tę konkurencję wybić do nogi.

„No future” czy szansa na przyszłość?
Powszechnie przyjmuje się, że bakterie gram-dodatnie mają mniejszą różnorodność systemów insercji białek w błonę komórkową i translokacji białek w poprzek tejże błony. Naliczyć ich można 6-7, podczas gdy dla wyposażonych w błonę zewnętrzną bakterii gram-ujemnych ta różnorodność wydaje się wyższa. To może najlepiej świadczyć o tym, że błona zewnętrzna to struktura bardzo złożona (więc trzeba do jej właściwej budowy dostarczyć stosownych białek) oraz bardzo istotna dla kontroli tego, co do komórki bakteryjnej wchodzi i co z niej wychodzi. A pamiętać trzeba, że poza wspomnianymi systemami sekrecyjnymi wysyłającymi w przestrzeń peryplazmatyczną lub nawet do cytoplazmy komórek gospodarza całe tabuny efektorów, istnieją systemy pozwalające na podobnych zasadach transportowych wybudować organelle zewnątrzkomórkowe bakterii, takie jak wici i pile.

„Inżynieryjnie” to działa tak, że albo te białka przepchną się przez tunel o długości plus/minus 15 mikronów, składający się z – od 3 (w systemie typu I) do nawet 10-12 – różnych białkowych podjednostek (systemy typu III i IV), albo muszą korzystać z transportu dwuetapowego: do peryplazmy (dzięki np. systemowi sekrecyjnemu typu II albo tzw. autotransporterom) i następnie z peryplazmy na zewnątrz. Dowodzi to, wykazanej eksperymentalnie, możliwości istnienia systemów hybrydowych. A skoro te systemy transportowe są takie skomplikowane i złożone, to warto sobie uświadomić, że gdyby nie one, to nie działałyby ani toksyna krztuśca, ani nie rozprzestrzeniałyby się na drodze koniugacji obrzydliwe plazmidy kodujące geny oporności na antybiotyki i chemioterapeutyki. Systemy te zatem mogą być celem działań antybakteryjnych. Celem nowych antybiotyków.