O objevech, které udělali na universitě v Santa Cruz, nepíšeme poprvé. Namátkou si můžeme připomenout  gen pro „člověčinu“, který se vyvíjel zatraceně rychle.

 

Virům světlo zrovna nesvědčí a můžeme je s jeho pomocí ničit.

Tentokrát to ale bude poznatek z jiného soudku, bakteriálního. I když svým dopadem se lidí  týká také. Ale od začátku. Brucelózu zná lidstvo již 120 let. Je to především choroba zvířat způsobená jedním ze čtyř druhů baktérií – brucella melitensis, brucella abortus, brucella suis a brucella canis. Původci jsou malé, aerobní bakterie, které se množí v monocytech a makrofázích a mají nectnost, že se antibiotiky ničí těžko. Přirozeně se vyskytují u koz, ovcí a velbloudů (druh melitensis), dobytka (abortus), prasat (suis). Brucella canis se zase vyskytuje u psů. Z člověka na člověka se choroba nepřenáší, ale člověk po kontaktu s nemocným zvířetem onemocnět může. Brucelózu tedy můžeme chytnout od skotu, prasete, ovce,kozy i psa. Brucelóze se také někdy říká undulující, maltská, středozemní nebo gibraltarská horečka. Inkubační doba brucelózy je jeden až 4 týdny. Projevuje se jako akutní onemocnění s horečkami, provázené únavou, bolestmi hlavy a zvracením. Neléčená brucelóza může trvat měsíce až roky, často se vrací. Smrtelná je ale jen asi v 6% případů

Na bakterie brucelózy měli dlouho zálusk vojáci. Jsou totiž ideálními kandidáty pro biologické zbraně. Jsou vysoce infekční a v určitých podmínkách (tma, vysoký obsah CO2) mohou být skladovány dlouhou dobu (více než dva roky). Předpokládalo se jejich šíření formou aerosolu. I proto byl tento ppatogen velmi podrobně studován. Přesto si nikdo nevšimnul, že bakterie brucelózy vyhodnocuje světelné podmínky a že této informace využívá ve svůj prospěch. Přišel na to až Trevor Swartz z University of California v Santa Cruz. On a jeho tým, který novou schopnost baktérií objevil, jsou přesvědčeni, že se nejedná o nějakou výjimku a zvláštnost, ale že půjde o častý a rozšířený jev.  K takové úvaze vědce přivedla všudypřítomnost struktury, která citlivost na světlo u bakterií zajišťuje. Světlo zřejmě bude hrát mnohem důležitější roli v mikrobiálním životě, než jsme si mysleli. To proto, že struktura, která to má v buňce na starosti, může být propojena s rozličnými signálními proteiny. Tatáž struktura může být ve hře na mnoha frontách.
Řeč je stále o molekulách, které byly u bakterií objeveny a které obsahují na světlo reagující oblast nazvanou LOV doména. Tato doména je podobná obdobným strukturám (v jiných proteinech), které zajišťují vyhodnocování přítomnosti kyslíku v prostředí a nebo vnímání elektrického proudu. Jde tedy o strukturu, která je v proteinech široce rozšířena. I když se jedná o strukturu, která propůjčuje schopnost vnímat světlo různým proteinům, jde o zcela jinou strukturu, než ty, o nichž jsme věděli, že také reagují na světlo a které příroda využívá k fotosyntéze a nebo ve světločivných pigmentech oka, jež umožňují zrak.

Zvětšit obrázek

Poté, co jsou některé bakterie osvětleny, začnou se místo útlumu množit jako o závod. (Brucella abortus. Foto: Dennis Kunkel)

LOV domeny přitom nejsou zase až tak nové. Byly popsány již před deseti lety u rostlin. Tehdy byly objeveny jako součást molekul zvaných fototropiny. Ty rostliny využívají ke své orientaci, aby se mohly otáčet za sluncem a také k vnímání délky světelného dne. To, že bakterie využívají podobného zařízení jako rostliny, se nevědělo.

Vědci z proteinové struktury odvodili DNA kód, kterým je tato světločivná struktura v genomu bakterie definována. Jakmile byla DNA sekvence známa, bylo hračkou zjistit, zda se stejné geny pro tuto strukturu vyskytují i u jiných bakterií. Vyskytují. Zatím se stejné geny podařilo prokázat u Brucella melitensis, B. abortus, Pseudomonas syringae a Erythrobacter litoralis.  To znamená, že se strukturu schopnou rozlišit světlo a tmu mají nejen patogeny způsobující nemoci, ale i mírumilovné bakterie žijící v moři.

Roberto Bogomolni, profesor chemie a biochemie to komentuje slovy: „Narazili jsme na naprosto novou rodinu receptorů, která je v přírodě široce rozšířená“.

Vědcům to nedalo a odhalené geny vnesli  do své oblíbené pokusné baktérie Escherichia coli, která je normálně nemá. Pak upravenou bakterii chovali ve tmě a sledovali její molekulární aktivitu pomocí izotopových značek. Jakmile geneticky pozměněné  střevní bakterii dali světelný impuls, LOV domény na něj zareagovaly a okamžitě změnily svůj tvar. Jednání bakterií vzdáleně připomíná naše lidské konání. Když začne svítit sluníčko, otvíráme okna, což v našich domácnostech podněcuje další rodinné struktury k aktivitě.
Jakmile ale vědci bakterie strčili zase zpátky do tmy, domény změnili konfiguraci, jakoby byly na nějakém pantu, a vše se vrátilo do původního, klidového stavu.

Protein reagující na světlo v sobě má také enzym nazývaný histidin kináza. Když je tento enzym „osvícen“ (vystaven aktivaci LOV domény), zahájí značkování jiných molekul fosfátem. Druhá komponenta signálního systému – regulátor odpovědi, předává tento fosfátový štafetový kolík na další molekuly a tak se signál šíří po celé bakteriální buňce.
Tajemství univerzálnosti systémů založených na těchto komponentách, tkví v tom, že umožňuje značit (ovlivňovat) celou řadu rozličných proteinových molekul. Tak například LOV domény jsou téměř identické pro bakterie i pro rostliny. A to přesto, že další návazné signální cesty jsou u bakterií a rostlin zcela odlišné.

Na světlo reagují bakterie pomocí proteinové struktury nazvané LOV doména. Na obrázku je trojrozměrná struktura velmi podobné domény, která se vyskytuje u rostlin. (Kredit: Sean Crosson, University of Chicago).

Když se Brucella dostane na světlo, dopadající paprsky na LOV doménu, aktivují v bakterii její obranný aparát a ten spočívá v jejím rychlém množení. Bakterie se stane vysoce virulentní. Naopak ve tmě klesne množení patogena o 90%.
Když vědci Brucelle její světelný detekční systém poničili, pak se i po světelném impulsu bakterie množila zase jen velmi laxně.

Není zcela jasné, jakou že to přednost tato regulace virulence světlem, bakterii přináší. Možná dává světlo bakterii na srozuměnou, že se dostala mimo hostitele a že začíná být ohrožena. Tak třeba když kráva zmetá a plod se začne válet na zemi, je pro bakterie důležité rychle zareagovat a snažit se co nejvíce množit.  Zvyšuje to šance, že se kontaktem jiného zvířete s placentou, nebo plodem, podaří některé z nich přestoupit na nového hostitele. Zdá se, že bakterie volí vůči svému chlebodárci taktiku „nechat žít“. Že se jej snaží nezatěžovat přespříliš, aby náhodou brzo neuhynul. Když se stane, že napadená hostitelka zvolí taktiku obrany vypuzení infikovaného plodu, bakterie zcela změní své chování a zahájí odlišnou taktiku: „tonoucí se stébla chytá“.  Bakterie nastartuje překotné množení, kterým se snaží zachránit, co se ještě (z jejího pohledu) zachránit dá. 

Odhalení mechanismu, že patogenní bakterie reagují na světlo, může vést ke zcela novým způsobům léčby. Tak například již zmíněný enzym histidin kináza, je u živočichů neznámý. Pokud by tedy byl vyvinut lék, který by fungoval na principu snižování histidin kinásové aktivity, likvidoval by bakteriální infekce bez toho, aby to mělo vedlejší nežádoucí efekty na živočichy, což je problém třeba u antibiotik.
Jde tedy o velmi slibný poznatek pro praxi. Zatím ale jen víme, že nějaká struktura reaguje na vnější světelný podnět a že toho mikroorganismy bohatě využívají. Než ale budeme mít jasno v tom, co všechno je s tím spojeno za děje uvnitř bakteriální buňky, tak na to si budeme muset ještě nějaký ten pátek počkat.