Mikas Sadauskas, Rolandas Meškys. Spalvos bakterijų gyvenime

Spalva – greičiausiai pastebima daugumos objektų savybė. Norint suvokti spalvą, reikia bent kelių komponentų: receptorių, sugeriančių skirtingo bangos ilgio šviesą, sistemos, šviesos sugėrimą paverčiančios cheminiu signalu ir perduodančios šį signalą trečiam komponentui – smegenims, kurios cheminį signalą paverčia konk­rečios spalvos ar atspalvio suvokimu. Tokią sistemą sudaro daug skirtingų organų ir ląstelių. Ką mato ir ar gali tai suvokti bakterijos – iš vienos ląstelės sudaryti nesuvokiamai maži organizmai? Akivaizdu, kad vienaląsčiai organizmai neturi nei akių, nei smegenų. Nepaisant to, jie geba rasti mitybinių medžiagų ir išvengti kontakto su pavojingomis sąlygomis, panaudodami sudėtingas signalo perdavimo sistemas. Kitaip sakant, šie organizmai „mato“ molekuliniu lygiu.

E. coli bakterijų sukurtos spalvotos iliustracijos. Šaltinis – Fernandez-Rodriguez ir kt., 2017, Nat Chem Biol, 13:706-8.
E. coli bakterijų sukurtos spalvotos iliustracijos. Šaltinis – Fernandez-Rodriguez ir kt., 2017, Nat Chem Biol, 13:706-8.

Pigmentų vaidmuo: nuo spalvos iki UV apsaugos

Pagrindiniai bakterijų gyvenime spalvą lemiantys komponentai yra pigmentai. Tai cheminės medžiagos, sugeriančios tam tikro bangos ilgio šviesą. Pig­mentų nesugerta šviesa yra atspindima. Taip pigmentų turintis objektas įgyja spalvą. Didelę pigmentų įvairovę (pav. 4 viršelyje) ir paplitimą bakterijų pasaulyje greičiausiai lėmė ne vien estetinės priežastys. Turėdami išskirtinį gebėjimą sugerti tam tikro bangos ilgio šviesą pig­mentai kai kurioms bakterijoms, kaip ir kitiems saulės šviesos energiją naudojantiems organizmams, itin pasitarnauja fotosintezėje. Dėl turimo fotosintezės pigmentų rinkinio bakterijos nusidažo skirtingomis spalvomis: nuo geltonos ir rudos (tokios bakterijos turi karotenoidų), žalios (jose dominuoja bakteriochlorofilai) iki raudonos ir mėlynos (turtingos fikobilinų) bei violetinės (sintetinančios bakteriorodopsiną).

Kai kurių patogeninių bakterijų pig­mentai veikia kaip toksiškumo veiksniai, t. y. tiesiogiai dalyvauja kolonizuojant naują šeimininką. Išskirtinis liūdnai pagarsėjusių bakterijų Pseudomonas aeruginosa požymis – mėlynos spalvos toksinas piocianinas. P. aeruginosa patekus į plaučius, piocianinas tiesiogiai veikia tiek konkuruojančius mikroorganizmus, tiek žinduolių epitelio ląsteles. B grupės streptokokai, gaminantys oranžinį pigmentą granadiną (angl. granadaene, ne grenadiną) praktiškai visada pasižymi ir β-hemoliziniu aktyvumu, t. y. nužudo raudonuosius kraujo kūnelius. Per ilgalaikį sąryšio tarp granadino ir β-hemolizinio toksino stebėjimą neatrasta nepigmentuotų hemolizinių arba pigmentuotų nehemolizinių bakterijų, be to, pigmento kiekis visuomet buvo tiesiogiai proporcingas hemolizinio aktyvumo dydžiui. Dabar turimi duomenys rodo, kad granadinas ir β-hemolizinis toksinas gali būti arba ta pati molekulė, arba skirtingos molekulės, veikiančios kartu ir taip lemiančios toksiškumą. Staphylococcus aureus pigmentas stafiloksantinas, suteikiantis šioms bakterijoms būdingą auksinę spalvą, padeda apsisaugoti nuo užkrėsto šeimininko imuninės sistemos. Šis faktas buvo įrodytas 2006 m. Vokietijos mokslininkų grupės, vadovaujamos prof. Friedricho Götzo, laboratorines peles užkrėtus skirtingais stafilokokų kamienais. Stafilokokai, gaminantys stafiloksantiną, sukėlė odos pažeidimus, o pigmento negaminančių stafilokokų sukelti odos pažeidimai greitai užgijo. Įdomu, kad stafilokokų stafiloksantino gamyboje ir cholesterolio sintezėje, kuri vyksta žinduoliuose, dalyvauja labai panašūs baltymai. Pastebėjus šį panašumą, mokslininkams pavyko rasti slopiklius, kurie tuo pat metu slopina ir cholesterolio sintezę, ir auksinio stafilokoko patogenezę. Iš pavyzdžių matome, kad žavingos spalvos, suteikiančios kai kurioms bakterijoms išskirtinius gebėjimus kolonizuoti šeimininkus, tampa ir jų Achilo kulnu: lengvai pastebimas pig­mento buvimas leidžia įvertinti bakterijų patogeniškumą, o šių spalvotų gink­lų nukenksminimas mažina bakterijų galimybes sukelti infekciją.

Kita vertus, anaiptol ne kiekviena spalvota bakterija yra pavojinga. Be išvardytų pigmentų, dalyvaujančių fotosintezėje, jie bakterijose atlieka daug kitokių svarbių funkcijų. Viena jų – apsauga nuo ultravioletinės spinduliuotės (UV). Jos sukeltos stresinės sąlygos ląstelėse gali lemti DNR, lipidų ir baltymų pažaidas. Antarktidoje aptiktos Hymenobacter ir Chryseobacterium, taip pat Micrococcus luteus bei Serratia marcescens bakterijos pasitelkia ultravioletinę šviesą sugeriančius pigmentus, taip sumažindamos UV poveikį ląstelių komponentams. Šių pigmentų nustatymas ir apibūdinimas paskatino mokslininkus pabandyti pritaikyti tokius junginius gaminant naujos kartos kremus nuo saulės, pasižyminčius efektyvesne apsauga nuo UV. Taip pat pigmentai padeda bakterijoms apsisaugoti nuo kenksmingų medžiagų. Kai kurios bakterijos, pvz., žarnyno lazdelės Escherichia coli, gamina nemažai indolo. Tai junginys, kurio didelė koncentracija gali stipriai slopinti konkurenčių bakterijų gyvybinius procesus. Susidūrusios su indolu kai kurios bakterijos geba paversti jį netirpiu ir mažiau kenksmingu ryškiai mėlynos spalvos indigo pigmentu, taip apsisaugodamos nuo toksiško indolo poveikio. Sutapimas ar ne, bet tas pats indigo pigmentas kaip dažas buvo pradėtas plačiai naudoti dar viduramžiais. Tuo metu pagrindinis indigo šaltinis buvo augalai, dabar didžioji indigo dalis (dešimtys tūkstančių tonų per metus) gaminama cheminiu būdu. Tiesa, per cheminę sintezę naudojami aplinkai nedraugiški reagentai, todėl netolimoje ateityje džinsiniams audiniams dažyti gali būti pasitelkiamas bakterijų gaminamas indigo dažas.

Bakterijų atsakas į šviesą

Kai kurios bakterijos gali pakeisti savo gyvenimo būdą priklausomai nuo šviesos prieinamumo. Šviesos intensyvumo pokyčius pajusti padeda saviti baltymai – fotoreceptoriai, dažniausiai sugeriantys mėlynos spalvos šviesą ir perduodantys signalą kitiems ląstelės komponentams, valdantiems fiziologinius procesus. Vienas pagrindinių vystymosi biologijos ir diferenciacijos modelinių organizmų, pusmėnulio formos bakterija Caulobacter crescentus, šviesos intensyvumui nustatyti naudoja baltymą, veikiantį kaip LOV (šviesos, deguonies, įtampos, angl. Light, Oxygen, Voltage) receptorių. C. crescentus vandenyje gali būti planktoninės – laisvai plaukiojančios, arba sėslios – prie paviršiaus prisitvirtinusios, ląstelės. Pajutusios šviesą planktoninės ląstelės „persijungia“ į sėslų režimą, nes, esant arti vandens paviršiaus, didėja tikimybė gauti daugiau deguonies ir maisto medžiagų. Priešingas efektas buvo pastebėtas Idiomarina loihiensis bakterijose, išskirtose iš Marianų įdubos Ramiajame vandenyne beveik 11 km gylyje. Mokslininkai nesitikėjo, kad tokioje tamsoje gyvenančios bakterijos gali reaguoti į šviesą, tačiau nustačius jų genomo seką ir radus galbūt fotoreceptorius koduojančius genus, nutarta I. loihiensis regėjimą patyrinėti detaliau. Pasirodo, šios bakterijos yra prisitaikiusios prie gyvenimo tamsoje ir sudaro tankius sluoksnius ant įvairių baltyminių substratų, kuriuos naudoja kaip maisto šaltinį. Tokie sluoksniai vadinami bioplėvelėmis (angl. biofilms), jose vienaląsčių mikroorganizmų ląstelės yra susikabinusios viena su kita ir taip sudaro savotišką daugialąstelinę struktūrą. Patekusios į seklesnius vandenis ir pajutusios šviesą I. loihiensis išsimontuoja iš bioplėvelės, pereina į laisvai plaukiojančią (planktoninę) formą ir leidžiasi į naujas tamsos paieškas. Galbūt ne veltui sakoma, kad vaikščioti su draugu tamsoje yra geriau nei vienam – šviesoje (Helen Keller).

Kolonizuojant šeimininką, bioplėvelės yra bakterijų itin mėgstama forma, nes toks sluoksnis atsparesnis šeimininko imuninei sistemai, kitiems antibakteriniams veiksniams. Oportunistinis patogenas Acinetobacter baumannii, pasižymintis dideliu metaboliniu lankstumu ir atsparumu daugeliui antibiotikų klasių, savo genome turi vienintelį fotoreceptorių koduojantį geną blsA ir šį fotoreceptorių išnaudoja šviesos intensyvumui pajusti. Perkeltos iš tamsos į šviesą A. baumannii ląstelės linkusios pereiti iš bioplėvelės režimo į pavienes ląsteles, o ląstelės su išveiklintu blsA genu nereagavo į šviesos intensyvumo pokyčius. Be to, šviesa paveiktos A. baumannii pasižymėjo 10 kartų didesniu toksiškumu žmogaus epitelio ląstelėms nei tamsoje laikytos bakterijos. Tokie šviesos lemti fiziologiniai pokyčiai gali atspindėti A. baumannii gyvenimo cik­lą: šeimininko viduje (tamsoje) šios bakterijos formuoja atsparias bioplėveles. Patekusios į šviesą bakterijos pereina į naujai infekcijai pritaikytą, agresyvių individualių ląstelių formą.

Vibrio fischeri reikšmė kalmarams

Bakterijų gebėjimą skleisti šviesą kai kurie gyvūnai išnaudoja savais tikslais. Havajiniai trumpauodegiai kalmarai, gyvenantys skaidriuose vandenyse prie Havajų salų, susiduria su problema – naktį spindint mėnuliui ir žvaigždėms, nuo plaukiojančio kalmaro metamas ryškus šešėlis yra lengvai pastebimas plėšrūnams; be to, žvelgiant iš apačios, aiškiai matomas kalmaro siluetas. Kalmarai sugebėjo prisijaukinti bioliuminescuojančias, t. y. skleidžiančias šviesą, bakterijas Vibrio fischeri. Laikomos specialiame šviesos organe, esančiame kalmaro pilvinėje dalyje, V. fischeri skleidžia šviesą ir taip ne tik panaikina kalmaro siluetą mėnulio fone, bet ir užmaskuoja metamą šešėlį. Bakterijoms ši simbiozė irgi naudinga, nes kalmaras suteikia pastogę bei maisto medžiagų. Kalmarui šios bakterijos yra tokios būtinos, kad šviesos organo kolonizacija prasideda praėjus vos 2–4 valandoms nuo kalmaro išsiritimo. Nepaisant to, kad vandenyje sudaro mažiau nei 0,1 proc. visų bakterijų, į šviesos organą patenka tik bioliuminescuojančios V. fischeri. Patekusios į šviesos organą V. fischeri pradeda daugintis. Ir tik chemiškai pamačiusios, kad pasiekė reikalingą bakterijų skaičių, pradeda skleisti šviesą. Dar įdomiau, jog šviesos organe kalmarai turi savų fotoreceptorių, padedančių pajausti bakterijų skleidžiamos šviesos intensyvumą. Atėjus vakarui ir bakterijoms pasiekus reikiamą skaičių, kalmaras pažadinamas ir, apsiginklavęs V. fischeri sukuriama maskuote, išplaukia medžioti. Ryte, nepriklausomai nuo medžioklės sėkmės, bet tik tuo atveju, jei paties kalmaro niekas nesumedžiojo, didžioji dalis šviečiančių bakterijų išprašoma lauk, bioliuminescencija pranyksta, ir kalmaras įsirausia į smėlį laukti nakties ir naujo žadintuvo.

Mokslininkai plius bakterijos lygu... menas?

Iš pateiktų pavyzdžių akivaizdu, kad bakterijos turi komponentų, savitai reaguojančių į skirtingas spalvas. Išnaudodama šiuos gamtos kūrinius Masačusetso technologijos instituto mokslininkų grupė, vadovaujama dr. Christopherio Voigto, 2005 m. sukonstravo patobulintas Escherichia coli bakterijas, kurios gamina juodą pigmentą apšvietus raudona šviesa. Norimas atvaizdas raudonos šviesos lazeriu buvo pernakt eksponuojamas ant mitybinės terpės su sukonstruotomis bakterijomis. Tose ląstelėse, kurios susidūrė su šviesos lazeriu, prasidėdavo pigmento gamyba. Bakterijos ne tik buvo išmokytos matyti, bet ir kurti tam tikrus vaizdus.

Praėjus daugiau nei dešimtmečiui, ta pati mokslininkų grupė pranešė išplėtusi laboratorinių Escherichia coli bakterijų matymo lauką iki trijų skirtingų spalvų – raudonos, žalios ir mėlynos (RGB). Tam prireikė į bakterijas įkelti 18 naujų genų ir sureguliuoti kiekvieno iš jų raišką. Šitaip bakterijos ne tik buvo išmokytos atpažinti skirtingas spalvas, bet ir reaguoti į kiekvieną iš jų, gaminant skirtingų spalvų pigmentus, t. y. sukurti spalvotas iliustracijas. Kaip atkaklumo ir tikslo siekimo simbolį bakterijos buvo paskatintos atvaizduoti Super Mario (žr. pav.). Tokie paveikslai gal ir neturi ypatingos meninės reikšmės, bet sudaro galimybę reguliuoti galybę procesų bakterijose, apšviečiant jas skirtinga spalva, pažymi sintetinės bio­logijos galimybes kuriant sudėtingus biologinių procesų valdymo įrankius.

Sudėtingiausiuose organizmuose spalvos tapo viena bendravimo priemonių. Chameleonų kamufliažas, nuodingų ryškiaspalvių varlių įspėjimai, paukščių patinų plunksnų raibumas ar Henri Matisse’o paveikslai įrodo, kad spalva yra gerokai daugiau nei fizikinė kiekvieno objekto savybė. Panašu, šis apibendrinimas galioja ir mikroorganizmų pasauliui, kuriame spalvos, nors ir suvokiamos kitaip, padeda kaupti energiją, išgyventi atšiauriomis sąlygomis, pranokti konkurentus ir sudominti mus.

Gyvybes_mokslu_centras_LM.png

Loading

Festivalis „Vaidiname žemdirbiams 2018“

 

 

 

Rėmėjai

 

 

 

 

Komiksai

10 litų

Dusburgiečio kronika

 

 

 

 

Menininkų portretai

Draugai

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Literatūra ir menas © 2016

Skaičiukai