Mikrobiológia O živote v špine - medicína; Výživa - FAZ
Hlboko v južnom Tichom oceáne, hlbokom tisíce metrov, sa oceánske dno považuje za jednu z najnepriateľskejších oblastí na našej planéte. Viac mŕtvych ako mŕtvych - tak hovoria biológovia oblasti medzi Južnou Amerikou a Austráliou. Hranicu medzi životom tu však treba znovu prekresliť. Až v polovici marca medzinárodný tím vedcov uviedol, že v hlinitom sedimente našli mikróby dýchajúce kyslík. Jednobunkovým organizmom sa darí nielen priamo na morskom dne, ale aj až 75 metrov pod ním.
Či už v hlbokom mori, na 3 000 metrov vysokých vrchoch, v ľudskom čreve alebo na večnom ľade: mikroorganizmy brázdia po celom svete. Masy mikroorganizmov. V jednom grame lesnej pôdy je až 100 miliárd buniek z viac ako 10 000 rôznych druhov. Niektoré sú zázraky šetriace energiu, ako sú zjavne mikróby z oceánskeho dna. Niektoré, ako napríklad niektoré druhy Streptomyces, produkujú dôležité antibiotiká - asi polovica všetkých liekov je založená na metabolických produktoch baktérií. Niektoré rozkladajú toxíny, iné zabíjajú škodcov rastlín. Dá sa predpokladať, že majú ďalšie veľké schopnosti. Poznáme ich však iba zlomok, možno päť percent - niektorí mikrobiológovia sa domnievajú, že ide o menej ako jedno percento. Dalo by sa od nich veľa naučiť, ale väčšina mikróbov vzdoruje výskumným metódam vedcov, nedá sa ich zistiť a nedokáže sa množiť v laboratóriu.
To sa teraz mení. Niektoré nové, niektoré vylepšené metódy do istej miery otvárajú dvere do vesmíru mikroorganizmov. "Otázka, kto tam je? K dnešnému dňu je možné pristupovať úplne inak ako v minulosti vďaka technológiám nezávislým na kultúre," hovorí Paul Illmer, mikrobiológ z univerzity v Innsbrucku. Útržky genetického materiálu možno teraz extrahovať zo vzorky pôdy a ich porovnanie so známymi sekvenciami DNA v databázach naznačuje počet prítomných druhov. Týmto spôsobom sa vedcom darí objavovať nové druhy takmer každý týždeň.
Ako keď hľadáte v kope sena
Pred dvadsiatimi rokmi bol kúsok sekvencie DNA jedného organizmu predmetom dizertačnej práce; dnes často nestačí na úplné sekvenovanie stoviek nových druhov, aby sa dostali do rešpektovaného vedeckého časopisu. Čoraz citlivejšie techniky umožňujú aj rýchlejšiu analýzu vzťahov a klasifikáciu v rodokmeni. A samotný objav organizmov na dne južného Pacifiku je malou senzáciou: ich objav je zhruba ekvivalentný so stovkou bĺch v 50-metrovom bazéne. Koncentrácia, ktorá bola predtým nezistiteľná. Dýchajú kyslík nepredstaviteľne pomalým tempom s výkonnosťou menej ako jeden elektrón na bunku za sekundu - to je niekoľko výkonov desať pod úrovňou dýchania, ktoré sa v laboratóriu považujú za extrémne energeticky obmedzené.
„My biológovia sme ohromení rozmanitosťou a veľkosťou, s ktorou máme do činenia,“ vysvetľuje Antje Boetius, hlbokomorská ekológka Inštitútu morskej morskej biológie Maxa Plancka v Brémach. Pre vedcov je sieť mikroorganizmov ako skladačka s miliardami kusov. Jednobunkové organizmy sa v niektorých prípadoch stali tak špecializovanými, že môžu existovať iba v spoločnosti iných mikróbov, pretože žijú z ich odpadových látok.
Vzhľadom na túto zložitosť analyzuje DNA iba poškriabanie povrchu. Mikrobiológovia napriek tomu už objavili množstvo skutočností, ktoré zodpovedajú základné otázky. Na svetlo sveta však prišli aj znepokojujúce veci. Napríklad v Ötztalských Alpách pozorovali, že zmeny podnebia za posledných sedem rokov neovplyvnili iba flóru. V nadmorskej výške od 2 700 do 3 500 metrov sa zmenil počet mikroorganizmov v pôde aj zloženie komunity. Z toho majú úžitok mikróby, ktoré produkujú metán - silný skleníkový plyn. Tento efekt by mohol ďalej urýchliť zmenu podnebia.
Nové antibiotiká
Rovnako ťažké je charakterizovať funkčné vlastnosti novoobjaveného druhu. Extrémne pomalý rast mnohých jednobunkových organizmov robí ich analýzu obvyklými metódami tak zdĺhavou, že idú nad rámec dizertačných prác alebo časových limitov výskumných projektov. Doteraz nebolo možné 90 až 99 percent organizmov kultivovať vôbec v laboratóriu. Len nerastú v Petriho miskách, bez ohľadu na to, s akou kombináciou výživných látok sa ich vedci snažia ošetrovať. „Z dôvodu zhonu finančných prostriedkov a publikácií pacientská pomalá mikrobiológia kultivácie a pozorovania mikroorganizmov z prostredia takmer vyhynula,“ hovorí Antje Boetius.
Ale v tejto oblasti existujú aj pokroky, ktoré závisia napríklad od medicíny. Začiatkom roka spôsobili senzáciu Kim Lewis a Slava Epstein z Northeastern University v Bostone a ich tím, keď predstavili antibiotikum z úplne novej triedy účinných látok: teixobaktín. Ak by sa táto látka v budúcich štúdiách ukázala ako účinná a bezpečná pre ľudí, išlo by o prvé nové antibiotikum od roku 1987. Senzáciou však je, že správy sa väčšinou len okrajovo zmieňujú o tom, že teixobaktín pochádza z predtým neobrobenej pôdnej baktérie. Teraz ho bolo možné získať pomocou úžasne jednoduchej metódy vyvinutej v Bostone; vedci pomenovali drobného producenta Eleftheria terrae.
Pred viac ako desiatimi rokmi začal Epstein v laboratóriu špeciálne kultivačné experimenty, pretože zjavne nebolo možné vyrobiť výživné médium, ktoré by vyhovovalo potrebám nepoddajných mikróbov. Vedci sa teda rozhodli namiesto toho vyskúšať prírodné prostredie. Riedili svoje pôdne vzorky, až z čisto štatistického hľadiska v nich zostala iba jedna jediná bunka, a naplnili ich do malej komory ohraničenej membránami. Mikróby nemohli uniknúť cez póry membrány, ale dovnútra sa mohli dostať všetky druhy výživných látok. Vedci vložili komoru späť do pôdy, z ktorej bola získaná vzorka. "Keď sme zistili, že takto môžeme rozmnožiť štyridsať percent všetkých buniek v pôvodnej vzorke, dlho sme tomu neverili." Pretože to bolo také jednoduché, “hovorí Slava Epstein. Ostatní boli tiež skeptickí; Epsteinove výskumné návrhy boli často odmietnuté z dôvodu, že „to nemôže tak ľahko fungovať“, a to aj po tom, čo už na túto tému publikoval niekoľko prác.
Skrotenie zlej ženy
Spoločnosť Epstein medzičasom vyvinula jednoduché difúzne komory do podoby „iChip“, približne veľkosti cigaretovej škatule, s 384 vzorkovacími nádobami. Jeho zamestnanci poznamenali, že asi štvrtina mikróbov, ktoré rastú v iChip, zrazu prosperuje aj v umelom živnom médiu. Ak zvyšných 75 percent podrobíte ďalšiemu rastovému cyklu v iChip, štvrtina z nich sa dá kultivovať. „Skontrolovali sme, či to bolo spôsobené mutáciami, nie je to tak,“ hovorí Epstein. Jeho doteraz - nedokázaná - pracovná hypotéza je, že mnoho mikróbov považovaných za nekultivovateľných je jednoducho v dlhodobom spánku. Bunka sa úplne nezávisle od vplyvov prostredia niekedy prebudí, aby vyskúšala podmienky ako skaut a v prípade potreby sa premnožila - potom pomerne rýchlo a dokonca v živnom médiu. „Bez ohľadu na to, ako to nakoniec bude fungovať, objav nás skutočne optimisticky presvedčí, že máme obrovské množstvo organizmov, z ktorých niektoré môžu produkovať ďalšie farmaceuticky zaujímavé zlúčeniny,“ hovorí Epstein.
Ostatné výskumné skupiny teraz používajú také prírodné médiá; Zdá sa, že kultivácia uspela aj v malých, čiastočne priepustných agarózových útočiskách. Úspešnosť vykazujú aj kapiláry na nanorozmeroch a niekedy sa zdá byť úspešná aj kultúra vzájomne závislých mikróbov.
Po pôdnych mikróboch chce teraz Slava Epstein skrotiť aj ďalšie neposlušné baktérie. Zaujíma ho takzvaný mikrobióm, bakteriálny svet v ľudskom tele. Epstein už testoval miniatúru iChip na zubnej sklovine dobrovoľníkov a objavil už tri predtým neznáme druhy baktérií. Teraz vyvíja prístroj, ktorý by mal čo najviac pracovať sám a skúmať mikróby - či už vo vesmíre, v hlbokom mori alebo v črevách. Epstein je optimistický, že to bude fungovať.