Nauka na UMCS

Pana projekt pt. „Plazmidom bakterii Legionella – znaczenie horyzontalnego transferu genów w ewolucji i wirulencji czynnika etiologicznego legionellozy” uzyskał dofinansowanie w konkursie SONATA. Może na początku wyjaśnijmy, czym jest „horyzontalny transfer genów” i dlaczego ma takie znaczenie?

Transfer genów odpowiada za stabilne przenoszenie informacji genetycznej z jednego organizmu do drugiego. Wyróżniamy jego dwa podstawowe typy: wertykalny (pionowy) i horyzontalny (poziomy). Ten pierwszy występuje przy przekazaniu informacji genetycznej komórkom czy też osobnikom potomnym. Z kolei ten drugi jest zjawiskiem, w ramach którego bakterie mogą wymieniać się ze sobą materiałem genetycznym na drodze kilku procesów, takich jak: koniugacja, transformacja czy transdukcja. Wektorem horyzontalnego transferu genów są najczęściej plazmidy, a więc takie cząsteczki DNA, które występują poza chromosomem, w którym zapisana jest podstawowa informacja genetyczna bakterii. Jeśli poszukamy analogii między nami a bakteriami, to w genomie człowieka występują 23 pary chromosomów, a w przypadku bakterii wygląda to trochę inaczej – większość ma jedną dużą cząsteczkę DNA, tzw. chromosom bakteryjny, ale występują poza nim niezależnie również mniejsze cząsteczki DNA nazywane plazmidami. Są one na tyle wyjątkowe, że mogą być przenoszone pomiędzy komórkami bakteryjnymi należącymi do tego samego gatunku, jak i mogą przekraczać bariery rodzajowe pomiędzy niespokrewnionymi taksonomicznie gatunkami bakterii.

Osobom niezwiązanym z dziedziną mikrobiologii nazwa „plazmidom” może kojarzyć się np. z galaktyką małych plazmidów.

Doprecyzujmy to pojęcie, bo o plazmidomie możemy mówić tak jak o genomie w kontekście całości materiału genetycznego. Plazmidom odnosi się zatem do całości plazmidów występujących np. w danym gatunku czy rodzaju. Mówiąc prościej – mamy całą pulę cząsteczek DNA, które z racji tego, że występuje horyzontalny transfer genów, mogą być przenoszone między bakteriami. Czyli mamy do czynienia ze strukturą dynamiczną. Z medycznego punktu widzenia to dość istotny mechanizm, ponieważ plazmidy bardzo często kodują zarówno geny warunkujące oporność na antybiotyki, jak i w przypadku bakterii patogennych czynniki wirulencji, czyli geny bezpośrednio odpowiedzialne za chorobotwórczość tych bakterii.

Horyzontalny transfer genów może mieć zatem ogromne znaczenie w pozyskiwaniu nowych cech bakterii.

To główny mechanizm bakterii w adaptacji do zmian w środowisku. Wyobraźmy sobie taką sytuację: stosujemy antybiotykoterapię, która doprowadza do zwalczenia pewnej populacji bakterii, jednak nie eliminuje wszystkich i zostaje kilka komórek bakteryjnych, najbardziej opornych na stosowany antybiotyk. Z racji tego, że cecha adaptacyjna bakterii jest zakodowana w genie zlokalizowanym w plazmidzie, to w momencie rozprzestrzeniania się tej nowej populacji, bardzo szybko może dojść również do rozprzestrzenienia się danej oporności. Mówiąc prościej – kiedy w szpitalu pojawią się bakterie oporne na dany antybiotyk, to dość szybko może się okazać, że i inne gatunki bakterii mogą tę oporność również nabyć. Zatem nie musimy czekać, aż dana cecha wykształci się niezależnie w każdym gatunku. Za takie działanie odpowiedzialny jest właśnie horyzontalny transfer genów, którego działanie możemy porównać do pracy gamera, który wpisuje kody do gry, aby umożliwić zmianę mechanizmu prowadzonej rozgrywki.

Istnieją jeszcze jakieś inne mechanizmy, które mogą zmieniać cechy bakterii?

Bez wątpienia, ponieważ bakterie podlegają naturalnemu cyklowi mutacji i adaptacji. Pojawienie się danej cechy zachodzi na drodze ewolucyjnej, jednak szybkość jej rozprzestrzenienia się w populacji zależy już od horyzontalnego transferu genów.

Czy można powiedzieć, że horyzontalny transfer genu gatunków z rodzaju Legionella ma wpływ na zwiększenie liczby przypadków legionellozy w Polsce?

Myślę, że istotą mojego projektu jest właśnie próba odpowiedzi na to pytanie. Wiedza o plazmidach legionelii jest bardzo fragmentaryczna, bo większość doniesień naukowych koncentruje się niemal tylko na dwóch jej gatunkach: Legionella pneumophila oraz Legionella longbeachae. I choć do dzisiaj zidentyfikowano już ponad 60 gatunków bakterii z rodzaju Legionella, to 90% wszystkich przypadków infekcji przypisywanych jest właśnie L. pneumophila. Być może wynika to z tego, że plazmidy potrafią pokonywać bariery gatunkowe bakterii. Łatwo zatem wyobrazić sobie sytuację, w której plazmid z innego gatunku Legionella przemieszcza się do L. pneumophila, która z kolei dobrze namnaża się w makrofagach płucnych człowieka. Taki materiał genetyczny przyjęty z plazmidem od innego gatunku może okazać się kluczowy w patogenezie i w podniesieniu poziomu zjadliwości L. pneumophila. Istotą mojego projektu jest zatem spojrzenie na cały rodzaj Legionella z trochę szerszej perspektywy. Uzyskanie informacji dotyczącej plazmidomu pomoże oszacować ryzyko pojawienia się nowych wirulentnych cech gatunku L. pneumophila, z uwzględnieniem horyzontalnego transferu genów m.in. z innych gatunków tego rodzaju drobnoustrojów.

Czy L. pneumophila może również pozyskiwać cechy wielolekooporności na antybiotyki od innych legionelli opornych na antybiotyki?

Wydaje się, że tak, choć problem antybiotykooporności nie jest związany obecnie tak bardzo z bakteriami z rodzaju Legionella. Sporym problemem jest natomiast rutynowa masowa diagnostyka. Mój projekt dotyczy na razie tylko badań podstawowych, które oczywiście w przyszłości chcemy rozwinąć. Punktem wyjścia dla nas jest to, że mamy bardzo mało danych sekwencyjnych genomów dotyczących innych gatunków niż L. pneumophila i – jeśli pojawią się jakieś nowe cechy „z zewnątrz” genomu badanych legionelli – nie wiemy, skąd mogą pochodzić. Stąd też duży wysiłek koncentrujemy na sekwencjonowaniu i uzyskiwaniu informacji genetycznych innych gatunków Legionella, które również posiadają plazmidy. Przeprowadziliśmy już badania wstępne i uzyskaliśmy wyniki, że takie plazmidy występują również w innych gatunkach, przed nami kolejne badania realizowane w tym kierunku.

W jaki sposób można potwierdzić, że faktycznie szczep gatunku Legionella uzyskał nową cechę w wyniku horyzontalnego transferu genów?

Tutaj z pomocą przychodzą nam techniki biologii molekularnej, dzięki którym możemy udowodnić, że poszczególne szczepy różnych gatunków Legionella są w stanie uzyskać plazmidy na drodze horyzontalnego transferu genów. W części doświadczeń planowanych w obrębie tego projektu chcemy wykazać, że transfer plazmidów możliwy jest wewnątrz ameb – naturalnego gospodarza dla tej grupy bakterii.

No właśnie, a co wspólnego mają ameby i płuca człowieka?

Ameby są głównym żywicielem legionelli w ich naturalnym środowisku. Kiedy bakterie namnażają się w swoim bezpośrednim sąsiedztwie, we wnętrzu ameb, to do horyzontalnego transferu genów może dochodzić z podwyższoną częstotliwością. Mówi się, że ameby są takim gorącym miejscem rekombinacji legionelli w środowisku. Z kolei infekcja człowieka jest niejako efektem ubocznym, bo człowiek nie jest głównym żywicielem tych bakterii. W organizmie człowieka legionella namnaża się w makrofagach płucnych, ponieważ makrofagi i ameby są dosyć podobne na poziomie molekularnym. Warto zaznaczyć, że nie dochodzi do transmisji choroby z człowieka na człowieka.

Bakterie z rodzaju L. pneumophila to bardzo wymagające drobnoustroje. Aby mogły swobodnie się rozwijać, muszą mieć zapewnione określone warunki, m.in. wysoką temperaturę, odpowiednią wilgotność i podłoże bogate w żelazo i mangan.

Rzeczywiście, praca z legionellami nie należy do najprostszych. Zakres ich tolerancji pH jest bardzo wąski, przez co zapewnienie im optymalnego podłoża zwiększa wymagania i koszty hodowli. Dobrym sposobem uzyskania czystych kultur bakterii Legionella jest namnażanie ich wewnątrz laboratoryjnych ameb. Niemniej jednak to także wymaga dużej dokładności w przygotowaniu odpowiedniego podłoża i przede wszystkim uwagi, aby nie dopuścić do jakiegokolwiek zakażenia hodowli.

 To prawda, zmienia się klimat, robi się cieplej. Stojąca woda i podwyższona temperatura to warunki sprzyjające rozwojowi tych bakterii. W związku z tym obawiam się, że takich sytuacji jak ta w Rzeszowie może być więcej. Legionella w naszej łazience czy klimatyzacji najczęściej rozwija się w biofilmie, szczególnie w miejscach, gdzie osadzają się zanieczyszczenia organiczne i mineralne, a ten z kolei stanowi doskonałe środowisko do wzrostu i przetrwania bakterii.

Można powiedzieć, że Pana projekt i zainteresowanie legionellami wpisuje się w bogatą historię badań Katedry Genetyki i Mikrobiologii UMCS, w których brał udział śp. prof. dr hab. Wincenty Drożański.

Powiem kolokwialnie – z legionellą miałem „z górki”. Początkowo jednak nie było to takie oczywiste, bo do doktoratu zajmowałem się trochę inną tematyką. Ogniwem łączącym te prace są plazmidy. Moja rozprawa doktorska dotyczyła biologii plazmidów i systemów ich replikacji. Ten projekt jest próbą scalenia dwóch pomysłów. Wcześniej nie pracowałem z bakteriami Legionella, ale gdy pojawił się pomysł, żeby połączyć tematykę dotyczącą plazmidów z badaniami nad tym rodzajem bakterii, pomyślałem, że to doskonały temat, zwłaszcza że mamy już pewne know-how, cały warsztat, opracowaną metodykę. W międzyczasie udało się nam pozyskać kilka szczepów środowiskowych we współpracy z lubelskim sanepidem, gdzie zidentyfikowaliśmy obecność plazmidów. To był taki moment przełomowy, który zadecydował, żeby pójść w tym kierunku.

Prowadzony przez Pana projekt ma charakter multidyscyplinarny.

Rzeczywiście, projekt łączy ze sobą mikrobiologię, genetykę, biologię molekularną, ale też bioinformatykę i analizę danych. Mamy w zespole zarówno specjalistów od pracy laboratoryjnej, jak i bioinformatyków, a wykorzystanie wysokoprzepustowych technik sekwencjonowania w połączeniu z analizą sekwencji DNA z uwzględnieniem algorytmów sztucznej inteligencji pozwala nam stosunkowo szybko uzyskać dużo informacji genetycznej i stawiać śmiałe hipotezy badawcze.

Na potrzeby projektu został utworzony zespół badawczy, któremu Pan przewodniczy. Kto wchodzi w jego skład? Czy współpraca związana z projektem wychodzi poza naszą Alma Mater?

W Katedrze Genetyki i Mikrobiologii UMCS współpracuję z dr. hab. Andrzejem Mazurem, prof. Uczelni, specjalistą od plazmidów i z dr hab. Martą Palusińską-Szysz, prof. Uczelni, która jest specjalistką od bakterii z rodzaju Legionella. W realizację tego projektu zaangażowany jest także dr Kamil Żebracki, który będzie odpowiedzialny za część eksperymentów, i doktorant Jakub Wysokiński, który świetnie radzi sobie z hodowlą tych bakterii. Chcemy zatrudnić jeszcze osobę na stanowisku postdoka, która pomoże w analizach bioinformatycznych. Jeśli chodzi o współpracę zewnętrzną, to jesteśmy na etapie finalizowania umów z Wojewódzką Stacją Sanitarno-Epidemiologiczną w Lublinie, wstępnego porozumienia z Powiatową Stacją Sanitarno-Epidemiologiczną w Radomiu i lubelskim Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji. Przy tym projekcie współpracuję również z firmą Bluecare, która zajmuje się zwalczaniem legionelli w budynkach użyteczności publicznej.

Pana projekt otrzymał dofinansowanie w wysokości niemal 1,4 mln zł. To ogromny sukces.

Przygotowanie wniosku grantowego trwało około trzech miesięcy, natomiast pomysły z nim związane zbierały się w mojej głowie od kilku lat. Podczas porządkowania wiedzy, dogłębnego przestudiowania literatury naukowej miałem ogromne wsparcie ze strony moich przełożonych: kierownika katedry – prof. dr. hab. Adama Chomy, dr. hab. Andrzeja Mazura, prof. Uczelni i dr hab. Marty Palusińskiej-Szysz, prof. Uczelni. Na naszym Wydziale realizowane są granty dla młodych pracowników, które poniekąd przyczyniły się do tego sukcesu – w ich ramach przeprowadziliśmy badania, które stały się podstawą do tego projektu, były one również dodatkową motywacją do złożenia większej aplikacji.

Rozmawiała Klaudia Olender
Fot. Bartosz Proll

źródło: Centrum Promocji UMCS