hirdetés
hirdetés
2019. február. 22., péntek - Gerzson.
hirdetés

Együttműködés elég vegyes populáció esetén

Határozatképes baktériumok

Az MTA-ELTE Ökológiai és Elméleti Biológiai Kutatócsoport munkatársa, dr. Czárán Tamás evolúcióbiológus azt kutatja matematikai modellek segítségével, hogy milyen körülmények között alakul ki kooperáció baktériumok között, illetve hogy az ember miért éppen két nemmel oldja meg a szaporodást, és nem mondjuk nyolccal, ahogy egyes gombák teszik.

hirdetés

– Az evolúció harc: a rátermettebb legyőzi a gyengébbet, a folyton változó környezet alkalmazkodásra kényszerít. Mostanában mégis sokan hangsúlyozzák az együttműködés előrevivő erejét, sőt olyanok is vannak, mint például Luis Villarreal virológus, akik szerint a kooperáció ugyanolyan fontos az evolúcióban, mint az önző gének versengése.

– Már Darwin is írt a szimbiózisról, azonban a kooperáció az evolúcióelméletben az 1970-es évektől, az evolúciós játékelmélet megjelenésével, John Maynard Smith működése nyomán került reflektorfénybe. A kooperáció azért nehéz műfaj, mert könnyű csalni, a másik együttműködési készségét kihasználva tenni szert haszonra. Napjainkban igazi nagy „boom” a kooperációt lehetővé tevő kommunikáció kutatásában van, mégpedig a törzsfa aljához közeli élőlényekre vonatkozóan: a quorum sensing (QS, lokális denzitásérzékelés) révén az egy fajba tartozó baktériumok, a különböző fajtájú baktériumok, valamint a baktériumok és gazdaszervezeteik – ez a cross-talk – egyaránt képesek „beszélgetni” egymással.

– A PlosOne-ban, a holland Rolf Hoekstrával közösen írt cikkében azt fejtegeti, hogy a kooperáció evolúcióját a baktériumokban a quorum sensing hajtja előre. Mit mondanak egymásnak a bacik?

– A baktériumpopulációkon belüli együttműködés számos kísérleti vizsgálat tanúsága szerint sokkal általánosabb jelenség, mint azt akár csak a közelmúltban is sejtettük; a QS-t szinte minden e szempontból vizsgált baktériumtörzsben megtalálták. Tipikus formája a táplálék sejten kívüli emésztésében részt vevő exoenzimek, a vízben alig oldódó, de életfontosságú vas(III)-ionokat felvehetővé tevő szideroforok, illetve a patogének invazív képességét növelő virulenciafaktorok közös termelése, a versenytársak kiszorítását célzó bakteriocinprodukció vagy a biofilmképzés.

A „közös javak” azonban kizárólag akkor hasznosíthatók a baktériumok számára, ha koncentrációjuk elér egy kritikus szintet, vagyis ha kellően nagyszámú, egymással szomszédos baktériumegyed szinkronizált módon termeli azokat. Az egyedek egy bizonyos lokális küszöbdenzitása (quoruma – a szó egyébként határozatképes létszámot jelent a jogi nyelvhasználatban) alatt nemcsak felesleges, de kifejezetten hátrányos az együttműködéssel próbálkozni, mert az abba fektetett energia elvész. A lokális egyedsűrűségre vonatkozó információ lehetővé teszi, hogy az értékes forrásokat felemésztő kooperáció csak akkor kezdődjön, amikor a lehetséges együttműködők denzitása már meghaladja a kellő hatékonyságot biztosító küszöbértéket.

Elképzelhető, hogy versengő baktériumok QS segítségével szabályozzák a szaporodásukat, illetve gátolják egymás kommunikációját. Érdekesség például, hogy van olyan csalási stratégia – spiteful/gonosz viselkedésnek hívják –, amikor az egyik baktériumtörzs egyedei úgy manipulálják a másikéit, hogy felesleges együttműködési kísérletre késztetik őket: elhasználtatják velük erőforrásaikat, és az ebből eredő versenyhátrányt kihasználva kiszorítják őket.

Mark Mendel Nature-ben megjelent tanulmánya szerint lehetséges, hogy ugyanazok a bakteriális gének kontrollálják az infekciós képességet, mint a szimbiózist. Az amerikai mikrobiológus egy tintahalfajtát vizsgált, amely szimbionta, biolumineszcens baktériumai felvillanásai révén riasztja el a ragadózókat. Mint Mendel írja, elképzelhető, hogy az egyébként patogenitást elősegítő biofilm-képzés ebben az esetben a baktériumok megtapadásához szükséges.

– Húsz éve magát a QS jelenségét is az Euprymna scolopes nevű tintahal szimbiontája, a Vibrio fischeri vizsgálatával fedezték fel. Bizonyos népsűrűség (populációdenzitás) fölött a baktériumok sikeresen kolonizálják a lábasfejű speciális fény-szervét, és luciferint kezdenek termelni. A biofilm egy speciális összetételű mátrix, amelybe a baktériumok beágyazódnak. A mátrix megvédi a bacikat a gazdaszervezet immunrendszerétől, egyszerűen nem férnek hozzájuk az immunsejtek. A biofilm-gyártásban együttműködhet két vagy több baktériumfajta, így közösen támadják meg a szervezetet. Sőt, a biofilmek nagy része sokfajos, azaz a QS és a QS cross-talk kitüntetett terepe. A fogainkat megtámadó bacik is biofilmet képeznek, és a legtöbb patogén alkalmazza ezt a stratégiát az immunrendszer kicselezésére. A biofilm komplex, jól szervezett struktúra, lehetővé teszi, hogy a szomszédsági viszonyokat szigorúan betartsák – és ezáltal biztosítja a további kooperációt.

– Milyen körülmények kellenek a baktériumok közötti együttműködéshez?

– Az együttműködés tartós fennmaradásához az szükséges, hogy a csalók ne tudják kiszorítani a kooperátorokat. Ez két esetben jöhet létre: vagy felismerik egymást a becsületesek, vagy a kooperálók egymás közelében maradnak, így biztosítják, hogy nagy valószínűséggel kooperátort segítsenek, ne csalót.

Az általunk létrehozott számítógépes modell alapvető kérdésfeltevése: mikor mennyi hasznot hozhat a kooperációval szorosan csatolt kommunikáció? Az eredmények szerint a két szélsőséges esetben, amikor nagyon kicsi, illetve nagyon nagy a mozgékonyság a baktériumpopuláción belül, nem éri meg kommunikálni. Ugyanis ha kicsi a baktériumok diffúziója, akkor nagy biztonsággal tudható, hogy a szomszéd ugyanolyan – ugyanaz a génkészlete, akár kooperáló, akár csaló –, hiszen nagy valószínűséggel utódsejt, osztódással jött létre. A másik szélsőséges esetben, amikor mindegyik szanaszét diffundál, azaz a szomszéd nagy valószínűséggel nem rokon, szintén hiábavaló a kommunikáció, mert a nagyon erős szétterjedés homogenizál, s ebben az esetben is mindegyiknek ugyanolyan lesz a környezete. Kommunikálni akkor érdemes, és ez ki is derült a modellünkből, ha viszonylag korlátozott a terjedés, de van. Így térbeli heterogenitás alakul ki, és az, hogy melyik szomszéd milyen genotípust hordoz, nem tudható kommunikáció nélkül.

A megdöbbentő az, hogy miközben feltesszük a modellben, hogy bárki bárhogy csalhat, tehát mondhatja azt, hogy kooperál, miközben nem teszi, de azt is csinálhatja, hogy mindig kooperál szó nélkül – nem túl nagy és nem túl kicsi diffúzió esetén fennmarad a kooperáció, beáll egy fix arány a becsületesek és a csalók között. És az a szép, hogy amit az elméleti modell megjósol, az a természetben meg is figyelhető.

– Felhasználható lesz-e a jövőben a gyógyításban a baktériumok közötti kommunikáció alapos megismerése?

– Potenciális orvosi alkalmazás a patogén populáció meggyengítése csalók becsempészése révén; így nem magát a mátrixot kell lebontani valamilyen vegyi anyaggal, amire a későbbiekben esetleg a kórokozók rezisztenciát fejleszthetnének ki. Vagy elképzelhető a QS jeleinek blokkolása, olyan analógok fejlesztése, amelyek hozzákötődnek a jel-molekula receptorához, de nem váltanak ki kooperatív viselkedést. Azonban ezzel az a baj, ami az antibiotikumokkal: a baktérium idővel másik jelátviteli masinériát kezdhet el használni, ezzel kikerülve a kommunikációs blokkot.

– A virológusok újabban rukkoltak elő azzal az elmélettel, hogy az evolúció során a komplexitás hirtelen megnövekedését, így többek között az eukarióta sejtmag, az adaptív immunrendszer és a méhlepényes emlősök kialakulását a vírusok hatalmas genetikai kreativitásának köszönhetjük: a vírusokban kialakult géneket endogenizációval szereztük meg, majd saját felhasználásra átalakítottuk őket. Génjeink 8 százaléka, a fehérjét nem kódoló DNS fele virális eredetű, Victor Tetz mikrobiológus egyenesen azt állítja, hogy a bioszféra nem fajokból és egyedekből áll, hanem a folyamatosan cirkuláló genetikai anyag összekapcsolt hálózata alkotja.

– A pángenom-elméletnek abban bizonyosan igaza van, hogy a vírusok sokkal fontosabb szerepet játszhatnak a sejtes élet evolúciójában, mint eddig gondoltuk, és a különböző élőlények genomja között is nagyobb az átjárhatóság, mint valaha képzeltük volna. A vírusoknak ebben jelentős a szerepük, egyrészt genetikai találékonyságuk, másrészt az általuk is megvalósuló horizontális géntranszfer miatt.

A taxonómia régóta szembenéz azzal a problémával, hogy mennyire különíthetők el egymástól a fajok, hiszen a gyakran fellépő hibridizáció elmossa a határokat, nemcsak baktériumok, de növények és állatok esetében is. A kérdést egyébként a szexuális szaporodás teszi ilyen nehézzé. Munkatársaimmal számítógépes modellek segítségével ezt a problémát is vizsgáljuk – egyik kérdésünk az, hogy miért van egyáltalán szexuális szaporodás, és ha már van, miért van általában pont két nem, és nem három vagy nyolc. A gombák – amelyek szinte mindent másképp csinálnak, mint a növények, az állatok vagy a baktériumok – különböznek a leginkább a többi élőlénytől; egy kicsit olyanok, mintha a Marsról jöttek volna, ebből a szempontból is nagyon érdekesek. Sokféle párosodási típusuk van – ezek a nemek megfelelői –, és képesek arra, hogy szomatikusan egyesüljenek, kromoszómaszintű rekombináció nélkül. Képzeljék csak el: két különböző egyed egyszerűen összeolvad, összekeverik a sejtmagjaikat, aztán különválnak.

Modellünkkel egyelőre azt tudjuk megmondani, hogy miért van egynél több nem a legtöbb fajban. A két nem evidensen jobb, mint az egy, hiszen a rekombináció jelentős plusz genetikai változatosságot biztosít, ami a változékony környezetben gyorsabb alkalmazkodást tesz lehetővé. Arról viszont csak sejtéseink vannak, hogy miért nincs kettőnél több. Az egyik lehetséges magyarázat szerint három (vagy több) különböző nem egyedéből létrehozni egy újabbat a csökkenő hozam elve alapján már több energiába kerülne, mint amennyi genetikai hasznot hajtana. Másrészt három (vagy még több) különböző lénynek kéne összejönnie a sikeres szaporodáshoz; kis populációsűrűség esetén erre kicsi az esély, ezért könnyen kihalhatna a többnemű faj.

Dr. Kazai Anita
a szerző cikkei

(forrás: Medical Tribune)
hirdetés

cimkék

Olvasói vélemény: 0,0 / 10
Értékelés:
A cikk értékeléséhez, kérjük először jelentkezzen be!
hirdetés
hirdetés

Könyveink