Anže Vozelj

Bakterije in ostali mikrobi so fascinantna (upam si reči) »bitja«, ki so nam zelo podobna. Glavna razlika med »nami« in »njimi« je v tem, da so mikrobi naselili našo Zemljo 3 milijarde let pred nami in jo verjetno poznajo precej bolje od nas, predvsem v smislu adaptacije na njene pogoje in komunikacije med njimi. Namen mojega razmišljanja nikakor ni zapostavljanje naše človeške vrste, temveč le utemeljeno pokazati, da skupaj z nami na Zemlji ko-eksistirajo tudi številne druge (mikrobne) vrste, ki so dosegle fascinanten nivo razvitosti, ki, hočemo ali nočemo, pomembno (so)oblikujejo naša življenja. Razumevanje človeškemu očesu nevidnega sveta bo pomembno prispevalo k izboljšanju naše kakovosti življenja. Verjamem in upam, da bo človeška premisa za prihodnost namesto na lažnem antropocentrizmu temeljila na vse vključujočem konceptu, ki v obzir jemlje tudi najmanjše, očem nevidne pripadnike našega planeta.

Človeška komunikacija in lažni antropocentrizem

Ustrezne komunikacije naj bi se posameznik naučil v procesu socializacije, ki je kompleksen proces prilagajanja družbi in temelji na vključevanju posameznika v skupnost ter sprejemanju kulture. Ljudje smo socialna bitja in smo procesu socializacije izpostavljeni od otroštva. Naša komunikacija s soljudmi poteka lahko besedno ali nebesedno. Ste se kdaj spraševali, kakšen bi bil svet, v katerem bi obstajala samo nebesedna komunikacija? Verjetno precej kaotičen. Problem nebesedne komunikacije je namreč v njeni subjektivnosti, saj si ljudje lahko različno interpretiramo posameznikov ton glasu, mimiko ali telesno držo. Na drugi strani je besedna komunikacija veliko bolj natančna in z njo lahko posameznik svetu učinkovito sporoča svoje počutje, dognanja ipd… Analize načinov človeške komunikacije kažejo, da se kar 65 % komunikacije med ljudmi odvija nebesedno, kar pogosto v vsakdanjem življenju vodi do nesporazumov, napačnega razumevanja in napačnih interpretacij različnih situacij prav zaradi pomanjkanja enoznačnosti in ekzaktnosti v našem komuniciranju. Ljudje smo si med seboj precej različni in si določene življenjske situacije interpretiramo različno.

Zatorej se na tej točki človeku zastavi vprašanje, mar smo res ljudje vseobsegajoča dominantna vrsta v našem biomu? Od kje ljudem sploh prepričanje o naši večvrednosti in superiornosti? Na to vprašanje verjetno ne pozna odgovora nihče, a bi kljub temu večina na vprašanje, ali smo večvredni in superiorni, odgovorila pritrdilno. Pa je res tako? Kratek odgovor je odločen NE. Večina bralcev bo ob slednji trditvi gotovo privzdignila obrv, vendar mi vseeno dovolite, da vam predstavim razloge za moje stališče.

Začenši z našim izvorom smo ljudje biološko gledano le ena izmed sto tisočih drugih rastlinskih, živalskih in mikrobnih vrst, ki naseljujejo naš ekosistem in skrajno (pre)ambiciozno bi bilo trditi, da smo edina vrsta, ki je razvila visok nivo kompleksnosti. Tudi kar se komunikacije tiče. Tekom mojega razmišljanja boste spoznali, da so poleg ljudi, učinkovite komunikacije sposobne tudi še druge vrste in to celo mikrobne! V splošnem je ena izmed (naj)večjih pomanjkljivosti človeške vrste antropocentrizem, kjer gre za način človeškega razmišljanja, ki temelji na človekovi nadrejenosti naravi. Človek naj bi s svojo superiornostjo prevladal nad naravo, drugimi živimi bitji v našem biomu. Zaradi samozaverovanosti in prepričanosti v našo navidezno superiornost pozabljamo na svet in ostale pripadnike vrst okrog nas. Dober opomnik človeški ne-superiornosti so naravne nesreče, ki nas zaradi naraščajočega negativnega vpliva podnebnih sprememb vse bolj pogosto opominjajo na našo majhnost, šibkost in ranljivost. Človeška samozaverovanost vodi v pomanjkanje razumevanja tudi številnih drugih področij, ki ravno tako pomembno sooblikujejo naša življenja. Eno od njih je gotovo tudi našim očem nevidni svet, ki ga sestavljajo najrazličnejši mikrobi. Morda se na prvi pogled zdi, da med mikrobnim svetom, človeško komunikacijo in antropocentrizmom ni prav nobene povezave, a njihovo poglobljeno razumevanje kaže popolnoma drugačno sliko. Vas zanima kako?

Pomen našim očem nevidnega mikrobnega sveta in njegove (ne)izkoriščene priložnosti

Našim očem nevidni mikrobni svet gotovo predstavlja eno od v preteklosti najbolj zapostavljenih sfer. V njem prevladujejo mikrobi, predvsem bakterije in virusi. Večina ljudi si mikrobni svet predstavlja kot manj razviti, primitivni svet brez vsakršne kompleksnosti. Postavljanje takšnih zaključkov se zdi meni kot mikrobiologu absurdno. Razumevanje fizioloških kot tudi medvrstnih procesov in interakcij znotraj najmanjših predstavnikov našega planeta nas lahko pripelje do dobrega razumevanja in poznavanja nas samih. Kot dober primer, kako pomembno je poznavanje in razumevanje človeškim očem nevidnega sveta, velja izpostaviti človeško črevesno mikrobioto, kjer gre za združbo predvsem bakterij, virusov in gliv, ki naseljujejo prebavni trakt. Raziskovalci ocenjujejo, da se v debelem črevesju nahaja 10^13 bakterij, ki preko specifičnih metabolnih procesov prispevajo k učinkoviti presnovi hrane. Verjetno si težko predstavljate, koliko bakterij je 10^13? Ogromno, saj je to približno tisočkrat več kot je vseh ljudi na Zemlji. Fascinantno, kajne? Poleg tega najnovejše raziskave kažejo tudi, da struktura človekove črevesne mikrobiote močno vpliva na posameznikovo razpoloženje in počutje, saj je sposobna komunicirati celo s človeškimi možgani preko vagusnega živca. Da, prav ste slišali, mikrobi lahko pomembno sooblikujejo človekovo počutje in samo dojemanje sveta. Še več, pri ljudeh, ki so bili izpostavljeni stresu, so namreč zaznali porušeno strukturo črevesne mikrobiote kot posledico upada števila določenih bakterijskih rodov, ki pomembno prispevajo k celovitosti črevesne mikrobiote. Dejstev, ki kažejo, kako pomemben je mikrobni svet v naših življenjih, je še mnogo več.

Kako tesno vpeti so mikrobi v naša življenja, si je res zelo težko predstavljati. Najbolj slikovito lahko omenjeno trditev opišemo s tem, da bi v njihovi odsotnosti naša življenja potekala na drastično drugačen način. Brez njih si ne moremo zamisliti večernih prijateljskih druženj ob vrčku piva ali kozarčku žlahtne kapljice. Nekateri mikrobi so, natančneje glive kvasovke, ključne za proces alkoholnega vrenja. Prišlo bi gotovo tudi do sprememb v naših vsakdanjih nakupovalnih navadah, saj bi na trgovinskih policah pogrešali sir, kefir, skuto in ostale fermentirane izdelke. Skupni imenovalec vseh omenjenih izdelkov predstavljajo ravno mikrobi, predvsem bakterije in kvasovke, ki preko specifičnih metabolnih procesov omenjenim izdelkom dajejo značilen vonj in okus. Morda sedaj že lahko trdimo, da si je morda le koristno privoščiti razmislek o tem, ali lahko še vedno trdimo, da je mikrobni svet primitiven in pogrešljiv za naša življenja? Po naslednjem odstavku boste gotovo odgovorili pritrdilno.

So mikrobi socialna bitja?

V življenju ste se zagotovo srečali s številnimi nenavadnimi vprašanji in včasih ljudi, ki so vas zahtevali odgovore na omenjena vprašanja, morda povprašali po zdravi pameti. Zgornje vprašanje vas je gotovo že napeljalo k še enemu dodatnemu, a z vrednotenjem mojega vprašanja še nekoliko počakajte, vsaj do konca tega odstavka. Namreč, poleg vseh nepogrešljivih vlog, ki jih v naših življenjih opravljajo mikrobi, je pomemben aspekt mikrobnega sveta tudi komunikacija, ki je tudi pri mikrobih, tako kot pri ljudeh, zelo pomembna za njihovo eksistenco in opravljanje določenih funkcij oz. najrazličnejših fizioloških procesov v našem ekosistemu.

S preučevanjem mikrobne komunikacije se ukvarja posebna veja mikrobiologije, tako imenovana sociomikrobiologija. Da, tudi mikrobi so lahko zelo socialni in težko mi boste verjeli, da celo bolj kot ljudje. Hkrati pa se tudi v mikrobnem svetu pojavljajo podobni »vedenjski« vzorci kot pri ljudeh. Tudi v mikrobnih populacijah lahko prihaja do pojava »goljufov« in »altruistov«. Goljufi živijo na račun altruistov, torej drugega dela bakterijske populacije, ki aktivno producira neko skupno dobrino, najpogosteje posebne molekule, ki dajejo zaščito celotni populaciji (npr. antibiotiki in ostali sekundarni metaboliti). Goljufi tako le izkoriščajo te skupne dobrine in ne prispevajo ničesar k skupnemu dobremu. Vendar pa so nekatere bakterije s svojim učinkovitim in prefinjenim načinom komuniciranja sposobne takšne goljufe prepoznati in jih iz populacije odstraniti, oz. jih osamiti. Bakterijska medvrstna komunikacija nikakor ni naključna in je natančno uravnana, kar jo dela še toliko bolj fascinantno. Sporazumevalno sredstvo bakterijah niso besede, temveč različne signalne molekule, kot so: peptidi, acil-homoserin laktoni, butirolaktoni, maščobne kisline, furanoni in številne druge. Bakterije so jih sposobne kontrolirano izločati v okolje in na tak način kontrolirajo obnašanje populacije. Še več, nekatere bakterije so razvile poseben sistem zaznavanja gostote bakterijske populacije ( ang. quorum sensing). Temelji na bakterijskem izločanju signalnih molekul v okolje in preko t. i. dvokomponentnih sistemov, ki vključujejo senzor in regulator. Signalna molekula se veže na senzor, ki nadalje aktivira številne transkripcijske faktorje, ki so ključni pri uravnavanju izražanja genov. Bistvo bakterijskih dvokomponentnih sistemov je v vezavi signala na receptor. Vezava je mogoča le, če se receptor in signal prepoznata kot ključ in ključavnica. Bakterijski dvokomponentni sistemi učinkovito prispevajo h koordinaciji izražanja genov in vodijo v učinkovito komunikacijo med bakterijami znotraj iste vrste ali med različnimi vrstami.

Eden bolj slikovitih primerov sposobnosti zaznavanja gostote bakterijske populacije, ki je pomemben predvsem v biološkem smislu, je pri morskih živalih vrste Havajskih lignjev Euprymna scolopes in bakterije Vibrio fischeri, ki jo najdemo v morskih okoljih. Omenjena bakterija v okolje izloča signalne molekule, ki ob vezavi na receptor inducirajo bioluminiscenco (svetlikanje), ko se Vibrio fischeri namnoži v svetilnem organu. Bioluminiscenca je posledica aktivnosti luciferaze, ki je oksidativni encim, ki so ga bakterije Vibrio fischeri sposobne producirati le, če so v zadostnem številu oz. ko je populacija bakterije Vibrio fischeri zadostna (10^11 bakterij/mL). Tukaj je torej ključno zaznavanje gostote bakterijske populacije. Vibrio fischeri se tako namnoži v svetilnih organih lignja, kjer gre za okolje z obilico hrane, bakterija pa v zameno oddaja svetlobo, ki lignju ponoči zagotavlja zaščito pred plenilci. Gre za simbiozo, kjer imata oba partnerja korist:  ligenj nudi bakteriji znotraj svetilnega organa zatočišče in hrano, bakterija pa lignju pomembno ekološko prednost, ki se odraža v nedovzetnostjo za plenilce. Zjutraj ligenj bakterijsko populacijo iz svetilnega organa odvrže, saj mu takrat več ne koristi. Čez dan pa se njihova koncentracija zopet začne postopoma povečevati in do večera doseže zadosten nivo za ponovno oddajanje bioluminiscence. Cikel se tako ponovi.

Da je omenjena komunikacija izredno fascinantna kaže tudi dejstvo, da se nekatere bakterije sposobne t. i. sorodstvenega razlikovanja (ang. kin discrimination), kjer pripadniki ene bakterijske vrste prepoznajo pripadnike druge. Če sta si vrsti sorodni, pride do uspešne prepoznave medvrstno specifičnih receptorjev in signalnimih molekul, kar vodi v kooperativno vedenje. Pri nesorodnih vrstah pa je kooperativno vedenje izključeno. Zakaj je kooperativno vedenje sploh pomembno? Predvsem zato, ker vodi v usklajeno vedenje ozkosorodnih bakterijskih vrst in rezultira v najrazličnejših procesih, kot je sinteza virulentnih dejavnikov pri patogenih. Virulentni dejavniki so molekule, ključne za kolonizacijo gostitelja s strani patogena. Patogen jih mora tako izločati kontrolirano, če želi efektivno kolonizirati gostitelja (npr. človeka, rastlino, žival). Virulentni dejavniki v splošnem kodirajo encime ali toksine, ključne za patogenost in vzpostavitev okužbe. Kooperativno vedenje vodi tudi v usklajeno premikanje, ki bakterijski populaciji omogoča učinkovitejši dostop do hranil. Bakterije se ob zadostni celični gostoti in s produkcijo površinsko aktivnih snovi (npr. surfaktantov) kolektivno premikajo proti naraščajočem gradientu hranil. Bakterijska populacija se lahko preko učinkovite komunikacije učinkovito odzove na pomanjkanje hranil v okolju in s kooperativnim premikanjem naseli na nova, s hranili bogatejša področja in se tako lahko zelo učinkovito izogne s hranili siromašnim okoljem.

Izjemno fascinantno je, kako veliko podobnosti glede socialnih interakcij lahko opazimo med ljudmi in med mikrobi, ki tako kot ljudje oblikujejo lastne skupnosti, sobivajo z nami ter rastlinami in naseljujejo najbolj nenavadne kotičke našega planeta. Zastavlja se torej vprašanje, kdo bo v prihodnosti prevzel vlogo učitelja socialnosti – ljudje ali mikrobi?

Anže Vozelj je magister mikrobiologije in mladi raziskovalec na Oddelku za biotehnologijo in sistemsko biologijo na Nacionalnem inštitutu za biologijo, kjer se v okviru svojega doktorata posveča raziskovanju širokega nabora interakcij med mikroorganizmi in rastlinami, tako tistih, ki koristijo rastlinam, kot tudi tistih, ki imajo nanje škodljiv vpliv. Posebno pozornost namenja rastlinskim virusom in drugim mikrobom, ki pozitivno vplivajo na rast rastlin. V prostem času se Anže rad ukvarja z gorništvom, smučanjem, tekom na smučeh in nogometom ter prebere kakšno dobro knjigo.