Határozatképes baktériumok

– 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.