Drapieżnictwo kojarzymy przede wszystkim ze światem zwierząt. Lwy polujące na antylopy, rekiny ścigające ryby czy pająki chwytające owady to obrazy dobrze znane każdemu. Podobne zależności występują jednak także w świecie mikroorganizmów 

Jednym z najbardziej niezwykłych mikroskopijnych drapieżników jest Bdellovibrio bacteriovorus (B. bacteriovorus). Ta niewielka bakteria poluje na inne bakterie, wnika do ich wnętrza i wykorzystuje makromolekuły do wzrostu i namnażania. W ten sposób reguluje liczebność populacji swoich ofiar.

Od ponad 60 lat B. bacteriovorus fascynuje badaczy. Początkowo był przede wszystkim modelem do badań nad oddziaływaniami między bakteriami. Z czasem dostrzeżono w nim potencjalnego sprzymierzeńca w walce z bakteriami wielolekoopornymi.

Przypadkowe odkrycie

Odkrycie B. bacteriovorus było dziełem przypadku. W 1962 roku niemieccy badacze Heinz Stolp i Hans Petzold poszukiwali nowych bakteriofagów – wirusów atakujących bakterie. Na hodowlach bakteryjnych zauważyli nietypowe „łysinki” – przezroczyste obszary świadczące o lokalnym obumarciu bakterii na szalce Petriego. Różniły się jednak od tych wywoływanych przez bakteriofagi: pojawiały się później i miały odmienny wygląd.

Zaintrygowani badacze postanowili ustalić przyczynę tego zjawiska. Jak się okazało, nieświadomie użyli filtrów o większych porach (Ø = 1,35 µm), przez które mogły przeniknąć nie tylko bakteriofagi, lecz także wyjątkowo małe bakterie. Ten drobny błąd doprowadził do odkrycia nieznanego wcześniej mikroorganizmu. Dalsze eksperymenty wykazały, że za powstawanie nietypowych „łysinek” odpowiadał nie wirus, lecz bakteria aktywnie zabijająca inne bakterie.

Nowo odkrytą bakterię nazwano Bdellovibrio – od greckiego słowa bdella („pijawka”) oraz łacińskiego vibrio, oznaczającego przecinkowca. Nazwa nawiązuje zarówno do sposobu przyczepiania się bakterii do ofiary, jak i charakterystycznego, zakrzywionego kształtu jej komórki. Drugi człon nazwy, bacteriovorus, pochodzi z łaciny i oznacza „pożerający bakterie”.

Portret mikroskopijnego łowcy

Komórka B. bacteriovorus ma zaledwie 0,2–0,5 µm szerokości i 0,5–1,4 µm długości. Bakteria należy do grupy bakterii Gram-ujemnych i do życia potrzebuje tlenu. W przeciwieństwie do większości bakteriofagów, które zwykle infekują wąski zakres gospodarzy, B. bacteriovorus potrafi polować na wiele gatunków bakterii Gram-ujemnych, co czyni go wyjątkowo wszechstronnym drapieżnikiem.

Komórka B. bacteriovorus ma charakterystyczny, asymetryczny kształt. Na jednym biegunie znajduje się długa rzęska umożliwiająca szybkie pływanie. Na przeciwległym znajdują się pilusy wykorzystywane do rozpoznawania i przyczepiania się do ofiary, dlatego biegun ten nazywa się inwazyjnym. Cykl życiowy B. bacteriovorus składa się z dwóch faz: ataku i wzrostu.

Rycina 1. (A) Obraz komórki B. bacteriovorus uzyskany metodą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) (na podstawie: E. Banks i wsp., Nature Communications, 2022). (B) Cykl życiowy Bdellovibrio bacteriovorus. Zaznaczono replisom – kompleks białkowy odpowiedzialny za replikację chromosomu (na podstawie: K. Pląskowska i J. Zakrzewska-Czerwińska, FEMS Microbiology Reviews, 2023).

W fazie ataku bakteria aktywnie poszukuje ofiary, poruszając się z prędkością dochodzącą do 160 µm/s. Oznacza to, że w ciągu sekundy pokonuje dystans przekraczający stukrotność długości własnej komórki. Uważa się, że podczas poszukiwań wykorzystuje chemotaksję, czyli ukierunkowany ruch w odpowiedzi na bodziec chemiczny. Wiadomo też, że przemieszcza się w kierunku miejsc o dużym zagęszczeniu bakterii. W tej fazie nie replikuje DNA ani się nie dzieli, zużywając niemal całą energię na pływanie i poszukiwanie ofiary.

Po dotarciu do potencjalnego gospodarza B. bacteriovorus przyczepia się do jego powierzchni biegunem inwazyjnym, rozpoznając cząsteczki obecne na powierzchni bakterii Gram-ujemnych. Następnie, z pomocą enzymów hydrolitycznych, tworzy niewielki otwór w błonie zewnętrznej i ścianie komórkowej. Przez niego przedostaje się do przestrzeni periplazmatycznej, uszczelniając miejsce wniknięcia. Tam zrzuca niepotrzebną rzęskę, która zostaje poddana recyklingowi przez maszynerię degradacyjną. Komórka ofiary pod wpływem enzymów drapieżnika przekształca się w charakterystyczną kulistą strukturę zwaną bdelloplastem. Na tym etapie jest już martwa i stanowi źródło składników odżywczych niezbędnych do wzrostu i podziałów drapieżnika.

Po krótkim okresie adaptacji rozpoczyna się faza wzrostu. B. bacteriovorus wydłuża się, tworząc nitkowaty filament, intensywnie replikuje DNA i wykorzystuje składniki odżywcze uwolnione z rozkładu makrocząsteczek ofiary. Gdy zasoby zostaną wyczerpane, filament dzieli się na komórki potomne. Ich liczba zależy głównie od wielkości gospodarza – w przypadku dużych komórek może ich powstać nawet kilkanaście.

To właśnie sposób rozmnażania jest jedną z najbardziej niezwykłych cech B. bacteriovorus. Większość bakterii dzieli się na dwie komórki potomne, z nielicznymi wyjątkami. Tymczasem ten mikroskopijny drapieżnik może zakończyć pojedynczy cykl wzrostu powstaniem zarówno parzystej, jak i nieparzystej liczby komórek potomnych. Każda z nich wykształca nową rzęskę, opuszcza bdelloplast, przebijając jego ścianę komórkową, i rozpoczyna poszukiwanie kolejnej ofiary. Umiejętność podziału binarnego i niebinarnego jest cechą wyjątkową i niespotykaną u bakterii.

Niezwykły sposób życia B. bacteriovorus wymaga precyzyjnej koordynacji procesów zachodzących w komórce. Jak genom B. bacteriovorus zapisuje instrukcje pozwalające przełączać się między fazą polowania i wzrostu oraz kontrolować tak złożony cykl życiowy?

Genom drapieżnika

Jak na tak małą bakterię, B. bacteriovorus dysponuje zaskakująco dużym genomem. Chromosom modelowego szczepu HD100 liczy około 3,8 miliona par zasad i zawiera 3584 geny. Wiele z nich koduje białka odpowiedzialne za ruchliwość, umożliwiając bakterii szybkie przemieszczanie się w poszukiwaniu ofiary. Inne kontrolują przebieg cyklu życiowego lub pozwalają przystosować się do warunków panujących w przestrzeni periplazmatycznej.

Znaczną część genomu stanowią także geny kodujące enzymy hydrolityczne degradujące struktury komórki gospodarza. Geny można więc podzielić na trzy grupy – kodujące białka zaangażowane w fazę ataku, wzrostu lub obu tych fazach. Co ciekawe, funkcja wielu genów nadal pozostaje nieznana, co sugeruje, że genom B. bacteriovorus może kryć liczne, nieodkryte jeszcze białka i enzymy o unikatowych właściwościach.

Tak duży chromosom musi być efektywnie upakowany w niewielkiej komórce. Po rozwinięciu nić DNA jest ponad tysiąc razy dłuższa od samego drapieżnika. Jak u wszystkich bakterii, chromosom nie jest zamknięty w jądrze komórkowym, lecz tworzy nukleoid – silnie upakowaną strukturę, której organizację zapewniają kondensyny, topoizomerazy i białka wiążące DNA.

Badania wykazały, że nukleoid B. bacteriovorus wyróżnia się spośród innych bakterii zwartą, spiralnie skręconą formą, a stopień jego upakowania nie jest stały. Zmienia się dynamicznie w trakcie cyklu życiowego, zapewniając dostęp do genów niezbędnych na kolejnych etapach polowania, wzrostu i podziału komórki. Dzięki temu bakteria może szybko przełączać programy ekspresji genów i sprawnie dostosowywać metabolizm do zmieniających się warunków oraz kolejnych faz cyklu życiowego.

Oswojony drapieżnik

B. bacteriovorus występuje powszechnie w cienkiej warstwie gleby otaczającej korzenie roślin, w wodach słodkich i słonych, a także w ściekach. Jest również naturalnym składnikiem mikrobioty zwierząt, w tym człowieka. Stosunkowo często wykrywa się go w przewodzie pokarmowym zdrowych ludzi, a niektóre badania wskazują, że występuje tam częściej i liczniej niż u pacjentów z przewlekłymi chorobami zapalnymi jelit.

Nie wiadomo jeszcze, czy aktywnie przyczynia się do utrzymania zdrowej mikrobioty, czy jego obecność jedynie odzwierciedla jej dobry stan. Zaburzenia mikrobioty jelitowej (dysbioza) często wiążą się jednak z nadmiernym namnażaniem bakterii Gram-ujemnych, takich jak E. coli czy Klebsiella pneumoniae, a więc naturalnych ofiar B. bacteriovorus. Sugeruje to, że drapieżne bakterie mogą być jednym z naturalnych i bezpiecznych elementów prawidłowo funkcjonującego ekosystemu jelitowego. Bezpieczeństwo to jednak dopiero pierwszy warunek. Równie ważne jest, czy drapieżnik potrafi skutecznie eliminować bakterie patogenne.

Czy mikroskopijny drapieżnik może stać się lekiem? Jeszcze kilkanaście lat temu taki pomysł wydawał się mało prawdopodobny. Dziś wiadomo, że B. bacteriovorus skutecznie eliminuje wiele patogennych szczepów bakterii, takich jak E. coli, Salmonella, K. pneumoniae czy Acinetobacter baumannii, a jednocześnie wykazuje niską toksyczność dla organizmów zwierzęcych. To sprawia, że jest postrzegany jako jeden z obiecujących kandydatów do opracowania nowych metod zwalczania zakażeń bakteryjnych.

Droga do zastosowań medycznych jest jednak długa. Najłatwiej wykorzystać B. bacteriovorus tam, gdzie wymagania regulacyjne są mniej rygorystyczne niż w medycynie. Dlatego pierwsze zastosowania rozwijane są przede wszystkim w ochronie środowiska, rolnictwie, akwakulturze i przemyśle spożywczym. W oczyszczalniach ścieków bada się możliwość wykorzystania drapieżnych bakterii do ograniczania ilości osadu czynnego i eliminacji bakterii chorobotwórczych. W rolnictwie, akwakulturze i produkcji żywności analizuje się ich przydatność jako naturalnego narzędzia biokontroli chroniącego rośliny, hodowle wodne i żywność przed bakteryjnymi patogenami.

Wśród potencjalnych ofiar tego drapieżnika znajdują się bakterie uznane przez Światową Organizację Zdrowia (WHO) za priorytetowe ze względu na wielolekooporność i pilną potrzebę opracowania nowych metod leczenia. Należą do nich między innymi oporne na karbapenemy szczepy K. pneumoniae i A. baumannii, zaliczane do najgroźniejszych bakteryjnych patogenów współczesnej medycyny.

Na obecnym etapie badań największe nadzieje wiąże się z leczeniem zakażeń miejscowych, takich jak bakteryjne zapalenie rogówki czy zakażenia ran oparzeniowych. W takich przypadkach drapieżnika można podać bezpośrednio do miejsca zakażenia, ograniczając ryzyko wywołania ogólnoustrojowej odpowiedzi immunologicznej. Rozważa się również możliwość wykorzystania go w leczeniu zakażeń układu moczowego, gdzie warunki mogą sprzyjać jego aktywności. Koncepcja ta wymaga jednak potwierdzenia w badaniach przedklinicznych i klinicznych.

Ograniczenia „żywego leku”

Obecnie zastosowanie B. bacteriovorus w terapii zakażeń u ludzi pozostaje na etapie badań podstawowych. Choć wyniki eksperymentów są obiecujące, do rutynowego wykorzystania tej bakterii w lecznictwie droga jest jeszcze daleka. Szerokie spektrum ofiar B. bacteriovorus może być zarówno zaletą, jak i źródłem potencjalnego ryzyka.

Dotychczasowe dane potwierdzają wysoką aktywność B. bacteriovorus in vitro wobec wielu patogenów, jednak jego skuteczność in vivo wciąż budzi wątpliwości i wymaga dalszych badań. Istotnym ograniczeniem okazały się między innymi biofilmy bakteryjne. Ich zwarta struktura, otoczona macierzą zewnątrzkomórkową, podobnie jak w przypadku antybiotyków utrudnia drapieżnikowi dotarcie do komórek ofiary. Choć niektóre badania wskazują, że specyficzne mikrośrodowisko biofilmu może sprzyjać przetrwaniu B. bacteriovorus, nie prowadzi to do skutecznej degradacji biofilmu ani całkowitej eradykacji patogenu. Z klinicznego punktu widzenia oznacza to, że sama zdolność drapieżnika do przetrwania w biofilmie nie gwarantuje sukcesu terapeutycznego.

Wciąż pozostaje wiele pytań bez odpowiedzi. Jak przebiega molekularny dialog między drapieżnikiem a ofiarą na poziomie pojedynczej komórki? Jakie mechanizmy obronne wykształciły bakterie w toku ewolucji? Czy uda się wykorzystać całe komórki B. bacteriovorus jako „żywy antybiotyk”, czy też dzięki postępom biologii syntetycznej będzie można projektować szczepy o bardziej precyzyjnym spektrum działania? A może większe znaczenie znajdą jego enzymy lub terapie skojarzone z bakteriofagami i antybiotykami?

Badania ostatnich dekad pokazują, że bakterie tworzą niezwykle złożony świat zależności, w którym toczy się nieustanny wyścig zbrojeń – atakują, bronią się, współpracują i ewoluują. B. bacteriovorus jest jednym z najbardziej niezwykłych uczestników tego mikroskopijnego ekosystemu. Być może zrozumienie reguł rządzących tym światem okaże się kluczem do opracowania nowych metod walki z bakteriami opornymi na antybiotyki.

Źródła

Banks EJ, Valdivia-Delgado M, Biboy J, Wilson A, Cadby IT, Vollmer W,

Lambert C, Lovering AL, Sockett RE. Asymmetric peptidoglycan editing

generates cell curvature in Bdellovibrio predatory bacteria. Nature

Communications. 2022;13:1509. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29007-y

Pląskowska K, Zakrzewska-Czerwińska J. Chromosome structure and

DNA replication dynamics during the life cycle of the predatory

bacterium Bdellovibrio bacteriovorus. FEMS Microbiology

Reviews. 2023;47(6):fuad057. https://doi.org/10.1093/femsre/fuad057

• Nauki biologiczne i rolnicze
• Nauki medyczne