Zhruba před rokem jsme na Oslu psali o objevu otrávených nano-čepelí, kterými kolem sebe mávají bakterie cholery.  Nyní vědci  odhalili  další podrobnosti  mikrobiálního vyřizování si účtů. Souboje mikrobů jsou překvapivě sofistikované a odveta některých připomíná chirurgicky přesně vedený zákrok při němž se municí zbytečně neplýtvá.

Spustit video

Sledovat rozborku a sborku bakteriálního zbraňového systému T6SS a jeho přemísťování umožnily až genetické modifikace, které protein zastávající funkci „výmetné prachové náplně“ zviditelnily. A jak dlouho buňce trvá než „nabije a vystřelí? Jsou to sekundy. (Kredit: M Basler, M Pilhofer, GP Henderson, GJ Jensen, JJ Mekalanos (2012) Type VI secretion requires a dynamic contractile phage tail-like structure. Nature 483 (7388), 182–186, http://www.nature.com/nature/journal/v483/n7388/abs/nature10846.html)

Když se armáda bakterií dá do pohybu, nemusí to pro nás dopadnout dobře. Mikrobiální šiky ale nebojují jen s námi, pokud se jich na jednom smetišti sejde více, začnou se mydlit i mezi sebou. A právě to by pro nás mohlo brzo být velmi zajímavé, třeba proto, že s účinností antibiotik to je čím dál tím horší.  Výzkumníkům z Harvard Medical School v Bostonu se podařilo pod pokličku mikrobiální bojové strategie nahlédnout. Postupně vychází najevo, že zdaleka nejde o boj hordy primitivů „všichni proti všem“. A že i když jsou mnozí z protivníků  vybaveni vysoce výkonnými  střílejícími mechanismy, nasazují je jen někdy a jen proti někomu. Nové poznatky umožnil až pokrok k němuž došlo v poslední době ve dvou oblastech – genetických manipulacích a v sekvenčním snímkování využívajícím k vizualizaci barvičkou značených proteinů. Spojením obu technik se podařilo v geneticky upravených bakteriích lokalizovat jejich zbraňový systém. K vzájemným potyčkám bakterie mají k dispozici více zbraňových systémů, asi šest.  Jejich stručná charakteristika je například zde.   Podobně jako si my vyřizujeme v mnoha koutech země spory kalašnikovem AK47, mezi bakteriemi se stejné oblibě těší T6SS. Familiární zkratka pochází z anglického type VI secretion systém a ve skutečnosti jde o sekreční systém který mnozí mikrobiologové považují za nejdokonalejší. Pokud není nejdokonalejším, tak oblíbený rozhodně je, neboť touto organelou se vyzbrojila nejméně čtvrtina všech gram-negativních bakterií a mají ji jak zlé patogeny, tak neškodní příživníci ve střevech (komenzálové) i mnohé z těch, které představují zoo životního prostředí. 

Harašení zbraněmi vědci sledovali na geneticky upravených bakteriích: Vibrio cholerae ( metly národů z nečisté vody), Pseudomonas aeruginosa (mikroba sužujícího nemocniční pacienty trpícími těžko léčitelnými zápaly plic, cystickou fibrózou),  Acinetobacter baylyi (prospěcháře napadajícího slabé) a Escherichia coli (účastnici průjmových veselic). Nejen, že jim pokrok genetice a mikroskopové technice dovolil zjistit do nedávna ještě zcela neznámý zbraňový systém T6SS, ale vyhodnocením záblesků lze na živé bakteriální kultuře zjist, která z nich si svou zbroj teprve instaluje, která již má nabito, případně zda vystřelila. Ze záznamu se dá určit i to, zda protivnici střela zasáhla a jak daleko je bakterie s velkým úklidem po výstřelu. To vše díky  fluorescenčních proteinů GFP a mCherry, které jsou původem z jiných organismů. Zelený GFP je z medůzy pohárovky a červený RFP je z korálovníku. I když ty dnes používané barvičky pro bakterie jsou syntetické a svítí ještě mocněji, než ty původní přirozené.

Spustit  video

Několik videosekvencí (jsou očíslovány v levém horním rohu) na nichž je patrno, jak spou bakterie soupeří. Ale protože maji anti-toxin k toxinům, ktere samy tvoří, tak vzájemnou boxovačku bez větší újmy přežívají. Kredit: M Basler, JJ Mekalanos (2012) Type 6 secretion dynamics within and between bacterial cells Science 337 (6096), 815-815 http://www.sciencemag.org/content/337/6096/815.short

T6SS systém, nebo chcete-li organela, je univerzální udělátko -  hodí se jak k obraně, tak útoku.  Dá se přirovnat k samostřílu, uštědřujícímu protivníkovi rány vystřelováním šípů. Připomínají tak trochu šípy Indiánů z povodí Orinoka – jsou také otrávené. Bakterie hroty vyšperkovávají jedovatým proteinem. Čepele střel obsahují enzym rozkládající buněčnou stěnu protivníka, případně mu způsobují i další radosti.  Je až s podivem, že ani tato rafinovanost nezaručuje mít takto vyzbrojeným bakteriálním kmenům v soubojích „navrch“. A neméně překvapivé je, že se příslušnice vyzbrojené jedovatým nádobíčkem, ať už neopatrností nebo dílem náhody, vzájemně nepomordují. Zvládají totiž tvorbu  „protilátek“. Mnohé z bakterií se naučily proti toxinům sekretovaným T6SS sestavovat jiný protein, který se na ten „jedový“ lepí a vyřazuje ho tím ze hry.

Projevem přátelství nám jsou bakterie také hodně podobné. Někdy si padnou do oka a začnou spolupracovat. A protože i u nicotných stvoření platí, že „ten umí to a ten zas tohle“,  tak v přátelských svazcích vytvářejí to, čemu se říká biofilm. Je prakticky nezničitelný. Mnohem častěji si ale do noty nepadnou a pak z toho je nepřátelství na život a na smrt. Některé rasy se nemají rády a vzory jejich chování a to jak rozpoznávají „vlastní a  cizí krev“ se postupně daří rozklíčovat. Tak třeba Escherichie coli mají na svém povrchu protein CdiA s receptorem BamA a když při vzájemném bakteriálním očichávání protějšku příslušný „protikus“ chybí, bakterie zastavuje růst, svůj metabolismus stabilizuje a jakoby v očekávání možného konfliktu se začne přípravovat na zákopovou válku. Má k tomu důvod, mohlo by totiž zrovna jít o střet s někým, kdo je vybaven oblíbeným sekrečním systémem VI. Na této ničitelské střílečce, v níž se spojují brutální síla napruženého proteinu s  enzymatickým leptáním, čemuž neodolají ani ty nejsilnější buněčné membrány, je zajímavá ještě jedna věc. Celé zařízení je do značné míry unifikované. Třetinu stejných součástek například úspěšně používají i mnohem menší breberky nacházející se až na samé hranici mezi živou a neživou hmotou – viry zvané bakteriofágy. Tito bakteriální cizopasnící by se bez podobného samostřílu, schopného natlačit zákeřnou informaci do vyhlédnuté kořisti, ani neobešly – nerozmnožily by se. Jde tedy skutečně o evolučně osvědčený systém, který bakterie dovedly ještě dál k dokonalosti.

Pseudomonas (zeleně) na neozbrojenou bakterii (modře) nestřílí. Dostane-li ale od Vibrio cholerae „facku“, během několika sekund se zmátoží, nabije a ze svého samostřílu troufalce ze stejného místa počastuje stejnou měnou.

Zjednodušeně můžeme říci, že T6SS se skládá z jakési hlavně s napruženým proteinem, který je na vystřelovaném konci opatřen kumulativní jedovou hlavicí. Jde o zbraň, která je i není na jedno použití. Bezprostředně po výstřelu začne buňka vše rozmontovávat. Chová se při tom jako šetrný hospodář, nic nepřijde nazmar a ze součástek sestaví nový samostříl. Jako bitvami protřelý a zkušený velitel bakterie přesouvá palebné stanoviště jinam. Celé to připomíná blitzkrieg – během několika vteřin je stanoviště kompletně rozebráno, přesunuto a s nově nabitou jedovou čepelí překvapí protivníka třeba z protilehlého koutu svého bakteriálního těla. 

O zbrojním arzenálu zvaném T6SS  a zde popsaných bakteriálních zlomyslnostech, jsme  ještě nedávno neměli ani ponětí. Teprve až se vědcům podařilo protein, který je součástí tohoto systému obarvit a sledovat jeho chování, mohlo se přikročit ke studiu organizace bakteriální domobrany dáváním různých bakteriálních druhů do kontaktu. V  mikroskopu podle záblesků fluoreskujících proteinů v bakteriálních tělíčkách lze pak sleddovat, kdo  nabíjí, kdo vyčkává, kdo zahajuje palbu jako první ale také ve prospěch koho se zápas vyvíjí – kdo se stáhnul do ústraní a koho zásah zcela rozpustil.  

Spustit video

Soužití mnoha bakterií nám ještě nedávno připadalo jako idylické. Jak moc jsme se mýlili vyplynulo až když vědce napadlo znásilnit bakteriím geny tak, aby jim proteiny jejich zbraňových systémů po vzoru hlubokomořských živočichů, svítily. Kromě barevných ohňostrojů urputnostem probíhajících bojů nic nenasvědčuje. Bakteriální souboje komentuje John Mekalanos.

Při jednom takovém představení, kdy vědci k sobě pustili  pseudomonádu a  Vibrio cholerae - původce cholery, se ukázalo, že jakmile se rivalky pustily do křížku a Pseudomonáda dostala od vibria zásah, bleskově sestavila svůj samostříl. A světe div se, učinila tak právě v místech, kam to „schytala“. Enzymová domobrana zasažené buňky během několika sekund vše pospravovala a ze zasaženého místa palbu opětovala. Na první pohled by se mohlo zdát nelogické, že bakterie střílí z míst, které má poničené střelou protivnice. Asi ale ví, proč to dělá. Nestřílí pak zcela naslepo. Když totiž vypálí odvetnou střelu do míst, kde se ještě před několika sekundami nepřítel vyskytoval, má větší šanci, že pomsta bude sladká.

K dalším novým poznatkům vědci dospěli, když jednu z účastnic duelů násilně odzbrojili. Když vibriu vyřadili geny bez nichž nemohlo svůj T6SS nabít, tak hendikepované  „cholerické“ rivalky nechávala pseudomonáda zcela bez povšimnutí. Pravdou ale také je, stejně rytířské mravy nejsou vlastní všem bakteriím a že například chování  Acinetobacteru si nezadá se zvyklostmi smečky hrdlořezů s vymytými mozky útočícími na všechno a bez rozmyslu. Naše antropomorfické přirovnání a vychvalování bakterie Pseudomonas aeruginosa za to, že netasí zbraň a nestřílí hned na všechno co se pohne, je nejspíš mimo mísu neboť důvod takového chování bude veskrze pragmatický. Místo pacifismu půjde jen o šetření sil na ty, které jsou větší hrozbou. Nasvědčovaly by tomu i výsledky pokusu, který tak trochu připomíná „bitvu tří císařů“. V něm vědci do válečné vřavy zapojily - „ozbrojenou choleru“ (Vibrio cholerae s funkčním systémem T6SS ), „choleru neozbrojenou“ (cíleně genetickou manipulací připravené Vibrio cholerae o systém T6SS) a  Pseudomonas aeruginosa (bakterii od přírody vybavenou fungujícím samostřílem T6SS).  Na této pranici bylo zajímavé to, že když se šiky „cholery“ vyzbrojené ostrou municí, promíchaly s těmi odzbrojenými „cholerami“, tak ačkoliv oba tábory těchto vibrií vypadají z našeho pohledu úplně stejně, pseudomonáda je dokázala od sebe rozlišit a střílela jen na ty, které pro ní byly potenciální hrozbou. Pravda, někdy se spletla a vystřelila i na vojandy s nefunkčními atrapami, nicméně skóre je zcela výmluvné - na mutanty s vyřazeným T6SS útočila třicetkrát méně. Stejně přezíravě se ozbrojené bakterie v jiných pokusech chovaly k jiným druhům bakterií, které jsou od přírody neozbrojenými civilistkami, například k Escherichii coli. Marek Basler, první autor publikace, výsledky těchto testů komentuje: „Pozorované chování bakterií je logické, minimalizuje potřeby na nutnou obranu a ušetřenou energii jim umožňuje využít k něčemu rozumnějšímu, než je válčení“.

Zvětšit obrázek

Fluorescenční zobrazovací techniky pokročily natolik, že některe sekreční aparáty je možné nyní sledovat v živých buňkách. I to přispělo, že se kolektivu z  Harvardu poštěstilo mít během jednoho roku članky v Nature, Science a Cell, což je úroda, která nebývá běžná ani u těch nejlepších laborek světa.  Markovi Baslerovi  (zcela vlevo) a jeho spolupracovníkům Johnu Mekalanosovi (v béžové košili uprostřed) a Brianovi Ho (sedi vpravo od Johna) právě vyšel článek v jednom z nejprestižnějších  biologických časopisů – Cell z něhož čerpal i tento článek. Všem jim za Velkou louži posíláme blahopřání se slovy „jen tak dál!“

Literatura:
Marek Basler,  Brian T. Ho, and John J. Mekalanos.: Tit-for-Tat: Type VI Secretion System Counterattack during Bacterial Cell-Cell Interactions, Cell, 152, 884–894, February 14, 2013 ,  http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2013.01.042
M. Basler, J.J. Mekalanos (2012) Type 6 secretion dynamics within and between bacterial cells Science 337 (6096), 815-815
M Basler, M Pilhofer, GP Henderson, GJ Jensen, JJ Mekalanos (2012) Type VI secretion requires a dynamic contractile phage tail-like structure. Nature 483 (7388), 182–186
Jeff F Miller.: Gaming the competition in microbial cell–cell interactions, The EMBO Journal advance online publication 26 February 2013; doi:10.1038/emboj.2013.45 http://www.nature.com/emboj/journal/vaop/ncurrent/full/emboj201345a.html