V slogi je moč: načrtovanje in uporaba mikrobne simbioze
Uvod
Živa bitja živijo v stiku z drugimi organizmi, kar privede do množice različnih interakcij med njimi. Tekmovanje (kompeticija) in sodelovanje (kooperacija), sta glavna principa interakcij med organizmi in primere teh dobro poznamo iz sveta živalstva in rastlinstva. Manj pa je poznan svet, ki je očem neviden in v njem najdemo številne zanimive interakcije, ki se porajajo med mikroorganizmi. Mikroorganizmi lahko interagirajo preko fizičnega stika (dotikanja), sproščanja molekul, ki so lahko signal za druge organizme v okolici ali z horizontalnim prenosom genov. Pri horizontalnem prenosu genov, gre za prenos dedne informacije – torej molekule DNA – med dvema organizmoma, pri tem pa ne gre za materinsko in hčerinsko celico (vertikalni prenos). Sporočanje med mikroorganizmi je prisotno pri tekmovanju za skupne dobrine, kot tudi pri sodelovanju. Za te skupnosti različnih vrst se je uveljavil izraz konzorciji (ang. consortia). Konzorciji vsebujejo večji nabor genov in posledično z njimi povezano povečane presnovne zmožnosti. Raznolikost kultur iz različnih vrst mikroorganizmov omogoča večjo robustnost, ki pomeni zmožnost preživetja v spremenljivem okolju ter omogoča delitev dela med osebki v skupnosti.
Simbioza med glivo in bakterijami ali algami v lišajih omogoča tem organizmom, da preživijo močne spremembe v okolju, kot na primer izsušitve, sevanje ali stradanje, ki jih posamezni partner v simbiozi sam ne bi preživel. Podobno robustnost opazimo tudi pri biofilmih - mikrobnih skupnostih pritrjenih na površino. Prisotnost mikrofilmov, ki vsebujejo različne vrste patogenih bakterij v našem telesu, pogosto pomeni slabši potek bolezni in oteženo zdravljenje. V primeru okužb ušesa so ugotovili, da so združbe z dvema patogenima bakterijama bolj odporne na zdravljenje z antibiotiki, saj vsak od obeh organizmov omogoča odpornost na različno skupino antibiotikov.
Eden od primerov kooperacije med mikroorganizmi je delitev dela. Fotosintetska bakterija Chlorochromatium aggregatum, živi na površini beta-proteobakterije, ki je visoko mobilna in se premika v smeri kemijskega gradienta določenega hranila – kemotaksija in stran od teme – skotofobotaksija. Beta-proteobakterije so tekom evolucije postale popolnoma odvisne od svojega fotosintetskega partnerja saj avtotrofni partner zagotavlja vir energije prek sklopitve metabolizma z njo. Beta-proteobakterije imajo manjši genom od sorodnih prostoživečih bakterij, imajo pa visoko zmožnost gibanja in zaznavanja svetlobe, kljub temu, da same niso zmožne fotosinteze, kar kaže na skupno evolucijo s svojim simbiontom.
Načrtovanje konzorcijev v umetnih sistemih so olajšale mnoge tehnološke inovacije, ki omogočajo natančen nadzor okolja. Ena od teh tehnologij je mikrofluidika, kjer lahko načrtujemo sisteme, ki vsebujejo okolja mikrometrskih dimenzij. Z natančnim uravnavanjem pretoka molekul ali celic lahko pripravimo gradient, celice lahko ujamemo v poljubno velike prostore in opazujemo interakcije med različnimi vrstami mikroorganizmov. Ta sistem omogoča pripravo biofilmov in pripravo ločenih kapljic v oljmi emulziji, kjer vsaka kapljica predstavlja ločen sistem. Eksperimente lahko pripravimo v mnogih paralelkah, kjer pa predvsem opazujemo rast celic prek optičnih meritev. Uporaba zmogljivejših analitičnih metod kot so pretočna citometrija, masna spektrometrija in tekoča kromatografija bo v prihodnosti omogočila lažje pridobivanje podatkov in povečano kvaliteto in širši nabor informacij, ki jih lahko iz teh sistemov dobimo.
Ločitev sistema z membrano omogoča izmenjavanje spojin med celicami hkrati pa preprečuje prehod celic med razdelki. Na ta način lahko gojimo nekatere mikroorganizme iz morskega dna, ki jih ne moremo gojiti samostojno. Z pripravo visokih redčitev vzorca iz tal ali drugod lahko inokuliramo membrane v jamicah z eno samo celico, te pa lahko preživijo in se namnožijo, ker prihaja do izmenjave molekul z drugimi vrstami na drugi strani membrane. Preučujemo lahko tudi vpliv razdalje med monokulturami na njihovo rast.
Pripravimo lahko tudi modele različnih oblik, kjer posamezne celice umestimo v vbokline trdnega medija in spremljamo njihovo rast ob prisotnosti drugih kultur v sosednih vboklinah, ki so ločene s medijem. Vzorce kultur visoke ločljivosti, lahko pripravimo z brizgalnim tiskanjem, kjer pikoliterske kapljice celic ali biomolekul nanesemo na željeno površino. Prostorsko razporeditev mikroorganizmov lahko pripravimo tudi z 3D tiskanjem, kjer lahko po polimerizaciji natisnemo mikroskopske prostorske strukture iz gela. V uporabi so tudi vlakna – na primer iz kalcijevega alginata, ki tvorijo 3D prostor, tega pa poselijo različne kulture mikroorganizmov.
Načrtovanje komunikacije med mikroorganizmi
V sintezni biologiji je bilo pripravljenih mnogo novih bioloških sistemov z novimi funkcijami. Načrtanje sistemov, ki vsebujejo različne vrste znotraj ene skupnosti pa predstavlja še večji izziv. Priprava bioloških naprav, ki vsebujejo različne skupine mikroorganizmov temelji na poznavanju interakcij med vrstami. Komunikacija med mikrobi je ključna za nadzor gostote kulture in tvorbe mikrofilmov. Eden od načinov vzajemne komunikacije je izmenjava metabolitov med dvema osebkoma. V eni od raziskav so mikrobno skupnost bakterij E. coli sestavljali osebki, ki bili nezmožni sinteze ene od aminokislin, ta AK je bila različna med posameznimi osebki, vendar je kultura lahko rastla ravno zaradi vzajemne izmenjave aminokislin med mikrobi, kooperacija je bila najbolj očitna pri AK, ki imajo zahtevno sintezo.
Mnogo bakterij je zmožnih zaznavanja gostote populacije v kateri so. Temu v angleščini pravimo Quorum sensing (QS), in je eden mehanizmov, ki ga lahko sintezni biolog uporabi za načrtovanje bioloških naprav. Mikrobi izločajo signalne molekule, ki v svojih sosedih sprožijo odziv, ta pa je odvisen od števila sosedov, torej populacijske gostote in od odzivnosti teh na signalne molekule (npr. prek števila receptorjev za te molekule). Tako signaliziranje v naravi najdemo predvsem znotraj ene vrste, z načrtovanjem delov, ki so ključni v tej komunikaciji in vstavljanjem teh delov v različne mikrobe, bi lahko načrtali sistem, kjer bi ta signalizacija potekala med različnimi vrstami in tudi kraljestvi življenja.
Vertikalni prenos genov lahko poteka prek konjugacije, kjer se prenese kopija dela DNA ene celice v drugo. S tem pride do prenosa večje količine informacij, hkrati pa je ta bolj specifična kot pri signalizaciji z izmenjavo metabolitov ali QS. Umetni načrtani ekosistemi nam lahko dajo tudi vpogled v dinamiko tekmovanja med osebki v spremenljivem okolju. V eni od raziskav so pripravili umetno pripravljen sistem s tremi sevi E. coli, kjer eden od njih proizvaja toksin, drugi je nanj občutljiv, tretji pa odporen lahko z spreminjanjem količine toksina, ki ga celice sproščajo ali njihovim številom dosežemo različna razmerja med posameznimi skupinami mikrobov.
Uporaba mikrobnih konzorcijev
Uporaba sistemov z več različnimi osebki ima velik pomen v bioremediaciji in bioenergiji. V eni od raziskav je bilo pokazano, da se naftni oglikovodiki razgrajujejo hitreje, če so prisotne bakterije, ki sproščajo surfaktante. Te molekule povzročajo nastanek emulzije in s tem olajšajo razgradnjo teh molekul. Drug primer je prirpava biogoriv iz celuloze. Celulozo je do preprostih sladkorjev razgradila gliva Trichoderma reesei, Bakterija E.coli pa jih je pretvorila v izobutanol, in je bila gensko spremenjena za optimizacijo te produkcije. Črevesna flora je skupnost različnih mikroorganizmov, ki bi jih lahko modificirali tako, da bi zaznavali in ubijali patogene mikrobe in sproščali terapevtske spojine.
Zaključek
Raziskave preprostih umetnih ekosistemov nam daje vpogled v izredno kompleksnost naravnih mikrobnih skupnostih in interakcij med celicami in vrstami. Ključno pri pripravi zahtevnejših umetnih ekosistemov je uporaba računalniških modelov in napredovanju novih disciplin sistemske biologije, ki poskuša razumeti biološke sisteme v celoti ob poznavanju posameznih komponent sistema.
Viri
Hays, S. G., Patrick, W. G., Ziesack, M., Oxman, N. in Silver P. A. (2015) Better together: engineering and application of microbial symbioses. Curr Opin Biotechnol., 36, 40-9 Morris, B. E., Henneberge, R., Huber, H. in Moissl-Eichinger, C. (2013) Microbial syntrophy: interaction for the common good. FEMS Microbiol Rev., 37, 3. Perez, A. C., Pang, B., King, L. B., Tan, L., Murrah, K. A., Reimche, J. L. Wren, J. T., Richardson, S. H., Ghandi, U. in Swords, W. E. (2014) Residence of Streptococcus pneumoniae and Moraxella catarrhalis within polymicrobial biofilm promotes antibiotic resistance and bacterial persistence in vivo. Pathogens and Disease, 70, 3. Wintermute, E. H. in Silver, P. A. (2010). Emergent cooperation in microbial metabolism. Molecular Systems Biology, 6, 407.
