Ze szkoły wynieśliśmy (uproszczoną) wiedzę, że cała informacja genetyczna organizmu zapisana w DNA przechowywana jest w chromosomach. Tymczasem istnieje grupa elementów genetycznych, które występują oprócz nich. Mają postać kolistych (najczęściej) cząsteczek DNA i są wyposażone we własne systemy replikacyjne – mogą się namnażać. Cząsteczki te, nazwane plazmidami, odgrywają ważną rolę w przenoszeniu genów o charakterze adaptacyjnym między mikroorganizmami. Szczególne znaczenie ma to dla bakterii, bowiem geny takie pozwalają na lepsze przystosowanie się komórek do zmiennych warunków środowiska i przetrwanie w sytuacjach stresowych. Plazmidy są bardzo zróżnicowane pod względem wielkości, struktury oraz mechanizmów replikacji i transferu. Dzięki swojej mobilności mogą być wprowadzone do różnych gospodarzy. Tam często podlegają rearanżacjom genetycznym, a te kształtują ich specyficzne właściwości.
Bakteryjny „Kronos”
Plazmidami bakteryjnymi zajmuje się zespół z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego pod kierunkiem prof. dr hab. Dariusza Bartosika*. Badacze zidentyfikowali szczególną grupę plazmidów – tzw. plazmidy wirulencji – o unikalnych właściwościach. Występują one wyłącznie w jednej grupie bakterii – we wszystkich gatunkach bakterii oportunistycznych z rodzaju Cronobacter. Nazwa pochodzi od mitologicznego pożeracza dzieci – Kronosa. Dlaczego? Zakażenie bakteriami z rodzaju Cronobacter cechuje duża śmiertelność, gdy ulegają mu malutkie dzieci. U zainfekowanych niemowląt dochodzi do zakażenia krwi, zapalenia opon mózgowych czy martwiczego zapalenia jelit.
Ryzyko zachorowania jest jednak niskie, bowiem mikroorganizmy te obejmuje monitoring dotyczący bezpieczeństwa żywności. Bakterie Cronobacter mogą przez bardzo długi czas przetrwać w środowisku suchym, np. w modyfikowanym mleku (w proszku) dla niemowląt. Dlatego producentów mleka zastępczego obowiązują restrykcyjne zasady produkcyjne oraz konieczność przeprowadzania testów na obecność tych bakterii w gotowym produkcie.
Właściwości patogenne bakterii Cronobacter w dużej mierze wynikają właśnie z obecności plazmidów wirulencji.
– Co ciekawe, badania wskazują, że plazmidy wirulencji towarzyszą gatunkom Cronobacter od początku historii ewolucyjnej całego rodzaju taksonomicznego tych mikroorganizmów. Jest to zatem unikatowy wśród plazmidów model, niezwykle pomocny do zbadania mechanizmów prowadzących do ich stopniowego udomowiania w komórkach bakterii, a w rezultacie do przemiany ruchomego elementu genetycznego w istotny dla bakterii komponent genomu, podlegający, wraz z chromosomem, wspólnej regulacji genetycznej w cyklu komórkowym – tłumaczy prof. Bartosik.
Pytania otwarte
Zespół z Wydziału Biologii UW stoi przed wieloma ważnymi pytaniami, m.in. o wpływ plazmidów wirulencji na właściwości ich gospodarzy oraz o biologiczną rolę tej części genów plazmidów, które w toku ewolucji nie zmieniły się od milionów lat. Geny te mogą być zaangażowane w przebieg tak ważnych procesów, jak wytwarzanie biofilmu – biologicznej błony złożonej z bakterii i wytwarzanych przez nie substancji, produkcja i pozakomórkowe wydzielanie polisacharydów oraz adaptacja do warunków stresowych.
Wyzwanie dla wielu dyscyplin
Obecnie rzadko się zdarza, by tylko jedna dziedzina nauki mogła zmierzyć się z nowymi (a także ze starymi) zagadnieniami i wyzwaniami; do rozwiązywania zagadek otaczającej nas rzeczywistości najczęściej angażuje się badaczy z kilku obszarów wiedzy oraz stosuje bardzo zróżnicowane narzędzia i metody. Badania zespołu prof. Bartosika obejmą analizy mikrobiologiczne, genomiczne, genetyczne i bioinformatyczne, a ich efektem będą odpowiedzi na pytania o ewolucję plazmidów wirulencji – dlaczego w ciągu tak długiego czasu nie zostały one utracone przez komórki; jakie są mechanizmy, które doprowadziły do ich udomowienia i powiązania wyłącznie z rodzajem Cronobacter; wreszcie – w jaki sposób przyczyniają się one do przemiany swoich gospodarzy w śmiercionośne i doskonale adaptujące się do trudnych warunków środowiskowych „Kronosy”.
*Badania finansowane przez Narodowe Centrum Nauki (OPUS; DEC-2022/47/B/NZ8/03264).
