Egy lépéssel közelebb a bakteriális fertőzések legyőzéséhez

A kórokozó baktériumok genomjában sok olyan génszakaszt találhatunk, amelyek egykoron baktériumokat fertőző vírusok, vagyis fágok révén kerültek oda. E szakaszokat hívjuk profágoknak. Vannak olyan profágok, amelyek a gazdabaktériumot számára kifejezetten előnyös tulajdonságokkal, afféle „szupererővel” ruházzák fel, például növekszik tőlük a fertőzőképessége. Csörgő Bálint, az MTA-SZBK Lendület Géntechnológiai Kutatócsoport vezetője és munkatársai azt remélik, hogy a Lendület Program támogatását élvező, profágokkal kapcsolatos kutatómunkájukkal hozzájárulhatnak a bakteriális fertőzések és az antibiotikum-rezisztencia legyőzéséhez.

Csörgő Bálint már a doktori kutatásai során, illetve azóta is olyan kísérleti technikák fejlesztésével foglalkozott, amelyek segítségével baktériumok DNS-ét lehet hatékonyan módosítani. Kutatásaiban a baktériumok módosításának mindig is az volt a fő célja, hogy jobban tudják modellezni a legkülönfélébb evolúciós folyamatokat.

Emellett azonban a baktériumok célzott módosítása ipari szempontból is jelentős, hiszen ezáltal olyan tulajdonságokkal ruházhatjuk fel őket, amelyek hasznosak többek között a gyógyszer- vagy a vegyiparban (például különféle molekulák előállítására lehet így késztetni őket).

A bakteriális genom módosításából kiindulva kezdett a kutató egy másik területtel, a CRISPR/Cas rendszerrel (vagy népszerű nevén: a génszerkesztéssel) foglalkozni a San Franciscó-i Kaliforniai Egyetemen. A génszerkesztés kifejlesztéséért kapott Nobel-díjat 2020-ban Emmanuelle Charpentier és Jennifer Doudna. A Cas-enzimek a baktériumok immunrendszerének egyik leghatékonyabb fágellenes (a baktériumokat fertőző vírusok ellen létrejött) fegyverei, és ezeket az immunenzim-rendszereket átprogramozva lehet őket célzott génmódosításra használni. A CRISPR/Cas rendszerek alkalmazása ma már szinte laboratóriumi alapműveletnek számít, és a korábbi eljárásoknál sokkal pontosabb genommódosításra képes. A génszerkesztés lassan kezd megjelenni az emberi gyógyító eljárások eszközkészletében is, hiszen elméletileg génhibák okozta öröklött betegségeket lehet például velük gyógyítani.

„Én nem az általánosan ismert és használt Cas9 enzimmel dolgoztam, hanem egy rokonával, a Cas3-mal. A Cas3 a 9-cel szemben képes nagyobb génszakaszok egy lépésben való kiütésére is – mondja Csörgő Bálint. – Először baktériumok módosítására optimalizáltam ezt a Cas3-rendszert, majd Németországban, az Európai Molekuláris Biológiai Laboratóriumban humán sejtekre is kifejlesztettem a Cas3-alapú módosító eljárást.”

Minthogy a Cas3-rendszer hosszabb DNS-szakaszok kivágására is képes, a Cas9-nél jobban használható az alapkutatásban arra, hogy nagy, eddig ismeretlen funkciójú génszakaszok jelentőségét vizsgálják a segítségével. E szakaszokat korábban „sötét genomnak” nevezték, és mivel nem ismerték a feladatukat, nem is tulajdonítottak nekik különösebb jelentőséget. Ugyanakkor feltűnően sok van belőlük, így újabban már egyre több kutató vélekedik úgy, hogy nem lehet e szakaszokat figyelmen kívül hagyni. A legújabb kutatási eredmények arra utalnak, hogy e rejtélyes értelmű DNS-szakaszoknak a génszabályozásban, pontosabban a gének átíródásának szabályozásában lehet kiemelt szerepük.

A sötét genom vizsgálata mellett a Lendület-kutatás főként a kórokozó baktériumok DNS-ének úgynevezett profágszakaszaira fog koncentrálni.

De mik azok a profágok? „A bakteriofágok a baktériumok vírusai. A fágok azonban nem ölik meg mindig azonnal a megfertőzött baktériumot, hanem alvó üzemmódban beépülhetnek a baktériumok genomjába – folytatja a kutatócsoport-vezető. – Ezeket a génszakaszokat hívjuk profágoknak. A profágokon olyan gének is lehetnek, amelyek hasznosak a baktérium számára, így érdekében áll megtartani őket.”

Tehát a profágok a baktérium-DNS virális eredetű szakaszai. De ne gondoljuk, hogy az effajta idegen eredetű genomszakaszok csak a baktériumokra jellemzőek, hiszen – Csörgő Bálint elmondása szerint – a humán genom is tele van virális eredetű szakaszokkal, így a baktériumok profágjainak vizsgálatára kifejlesztett technikák később akár az emberi „vendéggének” tanulmányozására is alkalmasak lehetnek. A most kezdődő Lendület-kutatások során a kutatócsoport elsősorban kórokozó baktériumokra fog koncentrálni, hiszen ezek életműködéseinek megismerése hallatlan orvosi jelentőséggel is bír – az alapkutatás haszna mellett.

Arra a hat baktériumcsoportra fókuszálnak majd, amelyeket az Egyészségügyi Világszervezet közegészségügyi szempontból a legveszélyesebbnek tart, mivel jelentős antibiotikum-rezisztenciával vannak felvértezve. E baktériumtörzseket összefoglaló néven „ESKAPE-baktériumoknak” nevezik. Az escape (’szökés’) szó az antibiotikumok kicselezésére utal, de az ESKAPE valójában betűszó, és a csoportba tartozó baktériumok (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa és Enterobacter-fajok) nevének kezdőbetűiből áll össze.

Az ESKAPE-baktériumok az esetek nagy részében tele vannak profágokkal, vagyis feltételezhető, hogy a veszélyességüket okozó antibiotikum-rezisztenciájuk részben a profágok által biztosított különleges képességeiken alapul. Csakhogy eddig még nem létezik olyan megfelelően optimalizált vizsgálati eljárás, amely alkalmas lenne e profágok egészben történő kutatására. A kutatócsoport egyik célkitűzése ezért e módszerek kifejlesztése.

A profágok átlagosan 100-150 génből állnak, és a leggyakrabban alkalmazott molekuláris genetikai eljárások rendszerint csak egy-egy gén kiütésére vagy elcsendesítésére alkalmasak. Ez a módszertani nehézség is lehet részben az oka annak, hogy a profággének alkalmazkodóképességre, illetve kórokozásra gyakorolt összhatását korábban nem vizsgálták átfogó, szisztematikus módon.

„Arra már vannak adatok, hogy egy baktérium valamelyik profágszakasz segítségével hatékonyabban tudott gazdasejteket támadni. Vagyis a beépülő vírus bizonyos tulajdonságokkal ruházza fel a baktériumot, így segítve a sikerességét – mondja Csörgő Bálint. – Amikor aztán megfelelőek lesznek a környezeti feltételek, és a virális gének valamilyen jelzést kapnak, akkor aktiválódhatnak, vírusfehérjéket termelnek, és elpusztíthatják a gazdabaktériumot. Sok esetben azonban ez sohasem következik be, a virális gének ott maradnak a baktériumgenomban, és idővel el is veszítik az aktiválódás képességét. Innentől kezdve végérvényesen a baktérium DNS-e részének tekinthetők.”

A kutatócsoport számos patogén baktériumtörzset gyűjt majd össze, például klinikai izolátumokból, majd a minta DNS-ében megkeresik a profágeredetű szakaszokat. Ezután különféle kombinációkban vagy egyenként kiütik a profágokat, és megfigyelik, hogy e módosítás hogyan hat a baktérium fertőzőképességére. Vagyis azt keresik, hogy az adott profág milyen módon befolyásolja a baktérium megbetegítő aktivitását és antibiotikum-rezisztenciáját. Nyilvánvaló, hogy e mechanizmusok ismerete életbevágó jelentőségű lehet az egyre égetőbb problémává váló multirezisztens baktériumtörzsek elleni harcban, ami sokak szerint a következő évtizedek legnagyobb közegészségügyi kihívása lesz szerte a világon.

De a kutatásoknak más szempontból is lehet haszna az orvoslásban. Minthogy a bakteriofágok a baktériumokat támadják, és esetenként el is pusztítják, közvetlenül is fel lehet használni őket a baktériumok elleni küzdelemben, különösen, ha a baktériummal szemben az ismert antibiotikumok már hatástalannak bizonyultak. Persze ez sem lesz olyan egyszerű, mint amilyennek esetleg elsőre hangzik. Ismert jelenség ugyanis, hogy a baktériumokban jelen lévő profágok és az őket újonnan fertőző fágok között érdekellentét lép fel, magyarul a már ott lévő profágnak nem érdeke, hogy egy újabb kéretlen betolakodó érkezzen a baktériumba, ami nemcsak a gazdasejt, hanem a profág fennmaradását is hátrányosan érintheti. Csörgő Bálint azt reméli, hogy az eredményeik nyomán arról is teljesebb képet kapnak majd, hogy bizonyos profágok hogyan rontják a fágterápia hatékonyságát.