Hakowanie mikrobów

Ewolucyjny wyścig zbrojeń

Mikroorganizmy chorobotwórcze, do których należą liczne szczepy bakterii i wirusów oraz gatunki grzybów, w procesie ewolucji wykształcają coraz to nowe metody przetrwania w organizmie żywiciela i poza nim. Z kolei układy odpornościowe atakowanych roślin i zwierząt starają się dostosować do tych zmiennych reguł gry. Ewolucyjny wyścig zbrojeń trwa od zawsze. Ludzka inteligencja pozwoliła na znaczący postęp w medycynie, dzięki któremu potrafimy poradzić sobie z coraz liczniejszą grupą chorobotwórczych patogenów groźnych nie tylko dla ludzi, lecz także dla otaczającej nas fauny i flory. Być może dzięki wykorzystaniu nowoczesnych metod bioinformatyki i biologii molekularnej uda nam się pokonać także te mikroorganizmy, które w dalszym ciągu są śmiertelnie niebezpieczne.

Bioinformatyka zajmuje coraz ważniejsze miejsce w badaniach naukowych. Analizowanie zjawisk biologicznych metodami obliczeniowymi, informatycznymi oraz modelowaniem komputerowym pozwala odkryć to, co trudno zobaczyć nawet pod najnowocześniejszym mikroskopem. Potężne moce obliczeniowe współczesnych komputerów dają nam w tym ewolucyjnym wyścigu zbrojeń jeszcze jedną przewagę – czas, którego nie tracimy, prowadząc badania na chybił trafił. Naukowcy z SGGW specjalizujący się w bioinformatyce mają już na swoim koncie pierwsze sukcesy. Dr hab. Krzysztof Pawłowski, prof. SGGW, z Katedry Doświadczalnictwa i Bioinformatyki Wydziału Rolnictwa i Biologii SGGW wraz z zespołem odkrywa sekrety niezwykłej skuteczności patogennych mikroorganizmów.

Biologiczni hakerzy

Za pomocą algorytmów bioinformatycznych można na przykład przewidywać, jakie funkcje w komórce pełni konkretne białko. Każde białko w komórce można opisać za pomocą ciągu liter zawierającego informację będącą na niego genetycznym przepisem. Dzięki temu możemy porównać białko, o którego właściwościach wiadomo niewiele, z białkami o znanych funkcjach. Stosując odpowiednie algorytmy, można wykrywać dalekie podobieństwa ewolucyjne między poszczególnymi białkami w komórce, które niezwykle trudno byłoby uchwycić w inny sposób. Na tej podstawie stawiane są kolejne hipotezy. Jeśli wiadomo, który element danego mikroorganizmu czyni go „niewidocznym” dla układu odpornościowego żywiciela i na jakiej zasadzie on działa, można dalej zastanawiać się, jak go dezaktywować. Praca bioinformatyków w niektórych przypadkach przypomina działalność hakerów, którzy mają za cel znaleźć najsłabszy punkt w systemie ofiary.

Białka efektorowe

Zespół profesora Pawłowskiego prowadzi obecnie badania dotyczące białek efektorowych wytwarzanych przez niektóre patogeny. „Niektóre bakterie, np. chlamydie i legionelle, mają bardzo dobrze rozwinięty system zwalczania mechanizmów obronnych organizmu, który atakują. W tym celu wytwarzają tzw. białka efektorowe, czyli produkty zakłócające sygnały przesyłane wewnątrz ludzkiej komórki, by przeprogramować jej sieci sygnalizycyjne. W dodatku bakterie te wytwarzają po kilka, kilkadziesiąt, a nawet kilkaset takich efektorów. Do niedawna nie mieliśmy o tych białkach żadnej istotnej wiedzy. W dodatku sieci sygnałowe ludzkiej komórki są niezwykle skomplikowane i prowadzenie badań na chybił trafił jest praktycznie pozbawione sensu. W takich sytuacjach doskonale sprawdza się bioinformatyka: odpowiednie algorytmy umożliwiają nam różnymi metodami przewidywać funkcje takich białek. Najczęściej jest to wyszukiwanie bardzo odległych podobieństw ewolucyjnych” – mówi prof. K. Pawłowski.

Bioinformatycy z SGGW badają różne mikroorganizmy patogenne, które atakują zwierzęta lub rośliny. Szukają w nich białek efektorowych i przewidują ich funkcje. Uzyskują w ten sposób bardzo ważne informacje – np. w jakim miejscu należy zablokować konkretne białko, by je unieszkodliwić.

Bioinformatyczne hipotezy są następnie weryfikowane w praktyce, podczas badań laboratoryjnych. Zespół naukowców pod kierunkiem prof. Krzysztofa Pawłowskiego współpracuje z badaczami w kraju i za granicą (Warszawa, Oslo, Leeds, Lund, Dallas, San Francisco). Być może już niedługo wspólnie prowadzone badania przyczynią się do dokonania kolejnego znaczącego postępu w medycynie. Są już pierwsze sukcesy.

Rozbroić pancerne mikroby

Profesor Krzysztof Pawłowski wraz z zespołem, współpracując z kolegami z IBB PAN, znalazł białko kluczowe dla budowy płaszcza przetrwalnika wytwarzanego przez niektóre gatunki bakterii i grzybów.

Niektóre mikroorganizmy w niekorzystnych dla nich warunkach tworzą tzw. postać przetrwalnikową, czyli endosporę. Jedną z jej cech charakterystycznych jest gruba, wielowarstwowa osłona zwana płaszczem przetrwalnika. W takiej formie mikroorganizmy są  w stanie przetrwać nawet kilkadziesiąt lat, czekając na odpowiednie warunki do życia. Nie straszne są im środki dezynfekujące, niskie lub wysokie temperatury czy brak wody. Endospory są także zwykle niewidoczne dla układu odpornościowego zaatakowanego organizmu.

Tak funkcjonują m.in. bakterie z typu Firmicutes, do których należy wąglik, oraz patogenne grzyby powodujące śmiertelne grzybice u ludzi. 

Płaszcz przetrwalnika to bez wątpienia jeden z najdoskonalszych produktów ewolucji tych mikroorganizmów. Chociaż potrafimy dokładnie określić, z czego jest zbudowany, bez znajomości funkcji kluczowych jego elementów nie jesteśmy w stanie opracować sposobu, w jaki go uszkodzić. Niewykluczone, że praca bioinformatyków z SGGW przyczyni się do przełomu w unieszkodliwianiu tych niezwykle groźnych bakterii i grzybów.

 „Płaszcze przetrwalnika składają się głównie z białek. Badaliśmy je i wiemy, z czego są zbudowane, które elementy są niezbędne do prawidłowego działania. Podczas tych badań zauważyłem, że pewna grupa białek, o których prawie nic nie było wiadomo, prawdopodobnie jest kinazami, czyli enzymami odgrywającymi istotną rolę w systemach sygnalizacyjnych komórek. Postawiliśmy hipotezę, że kinazy te są w płaszczu przetrwalnika odpowiedzialne za włączanie oraz wyłączanie różnych procesów – na przykład rozpoczęcie „budzenia się” spory – mówi prof. K. Pawłowski.

Badania prowadzone w SGGW choć mają charakter teoretyczny, stanowią istotny punkt wyjścia do prac w laboratorium. Dzięki algorytmom bioinformatycznym udało się odkryć funkcję białka CotH, która byłaby niemożliwa do uchwycenia w inny sposób – nie wskazywały na nią ani kolejność reszt aminokwasowych, ani inne cechy tego białka. Ten trop został podjęty przez badaczy zajmujących się innymi dziedzinami biologii i medycyny. Naukowcy z zespołu dr Vincenta Tagliabracci (Dallas) podczas badań laboratoryjnych udowodnili, że rzeczywiście białko CotH jest istotnym elementem budowy płaszcza przetrwalnika u bakterii z rodzaju Bacillus a jego dezaktywacja powoduje znaczne pogorszenie procesu „budzenia się” przetrwalników tych bakterii.

Oryginalna publikacja: http://www.pnas.org/content/113/25/E3482.long

Konsultacja merytoryczna: dr hab. Krzysztof Pawłowski, prof. SGGW, Katedra Doświadczalnictwa i Bioinformatyki Wydziału Rolnictwa i Biologii SGGW