Bakteriális világban élünk, és ez nagyobb hatással van ránk, mint korábban gondoltuk

(Phys.org)-A híres biológus, Lynn Margulis (1938-2011) egész pályafutása során azt állította, hogy a mikroorganizmusok világa sokkal nagyobb hatással van a teljes bioszférára – az összes élőlény világára -, mint azt a tudósok általában elismerik. Most a világ egyetemein dolgozó tudósok egy csoportja összegyűjtötte és összeállította több száz, többnyire az elmúlt évtizedben végzett, az állatok és a baktériumok közötti kölcsönhatásokról szóló tanulmány eredményeit, és kimutatták, hogy Margulisnak igaza volt. Az összesített eredmények azt sugallják, hogy a Margulis nézetét alátámasztó bizonyítékok elérték a fordulópontot, és azt követelik, hogy a tudósok vizsgálják újra az élet néhány alapvető jellemzőjét a baktériumok és más nagyon különböző életformák közötti összetett, egymástól függő kapcsolatok tükrében.

Az állat-baktérium kölcsönhatásokkal kapcsolatos jelenlegi kutatásokat áttekintő projekt akkor kezdődött, amikor néhány tudós felismerte a baktériumok fontosságát a saját kutatási területükön. Michael Hadfield, a Manoa-i Hawaii Egyetem biológiaprofesszora számára a felismerés hosszú évek alatt, a tengeri állatok metamorfózisának tanulmányozása során nőtt. Megállapította, hogy bizonyos baktériumok hatására a tengeri lárvák a tengerfenéken meghatározott helyeken telepednek le, ahol fiatal egyedekké alakulnak át, és leélik hátralévő életüket.

“Miután megállapítottuk, hogy bizonyos biofilmbaktériumok alapvető és egyedi ligandumot biztosítanak egy világszerte elterjedt tengeri féreg lárváinak stimulálásához, a kutatásunk természetesen továbblépett a baktériumgenom jeladásért felelős részének tanulmányozásához, és más fajokra is kiterjedt, ahol ugyanezeket az érintett géneket találtuk” – mondta Hadfield a Phys.orgnak. “Mivel az állat-baktérium kölcsönhatások tanulmányozásának különböző nézőpontjaiból érkeztünk, és felismerve még sok mindent, Margaret McFall-Ngai és én alaposan megvitattuk a jelenlegi helyzetet, majd úgy döntöttünk, hogy megpróbáljuk összehozni a baktérium-állat kölcsönhatások tanulmányozásának különböző megközelítéseinek jelentős számú szakértőjét, hogy egy olyan tanulmányt fogalmazzunk meg, mint amilyen az önök kezében van. Javaslatot tettünk a Nemzeti Tudományos Alapítvány Nemzeti Evolúciós Szintézis Központjának (NESCent) egy “katalógus-találkozóra” a témában, amit meg is támogattak, és a projekt elindult.”

Baktériumok vesznek körül minket

Sok tekintetben könnyű belátni, hogy a baktériumok milyen kiemelkedő szerepet játszanak a világban. A baktériumok voltak az egyik első életforma, amely megjelent a Földön, körülbelül 3,8 milliárd évvel ezelőtt, és valószínűleg még jóval az emberek eltűnése után is fennmaradnak. Az élet jelenlegi fáján a három fő ág egyikét foglalják el (a másik kettő az Archaea és az Eucarya, az állatok az utóbbihoz tartoznak). Bár a baktériumok rendkívül változatosak és szinte mindenhol élnek a Földön, az óceán fenekétől a beleink belsejéig, van néhány közös vonásuk. Hasonló a méretük (néhány mikrométer), általában egyetlen sejtből vagy néhány sejtből állnak, és sejtjeiknek nincs sejtmagjuk.

Noha a tudósok már évek óta tudják, hogy az állatok gazdatestként szolgálnak a baktériumok számára, amelyek különösen a bélben/bélrendszerben, a szájban és a bőrön élnek, a legújabb kutatások feltárták, hogy ezek a mikrobák milyen sokfélék. Tanulmányok kimutatták, hogy az emberek szervezetében körülbelül 10-szer több baktériumsejt található, mint emberi sejt. (Az összes baktérium tömege azonban kevesebb, mint fél kiló, mivel a baktériumsejtek sokkal kisebbek, mint az emberi sejtek.)

Míg e baktériumok egy része egyszerűen csak egymás mellett él az állatokkal, és nem sokat érintkezik egymással, addig más részük nagyon is sokat érintkezik. A baktériumokat gyakran társítjuk a betegségeket okozó “baktériumokkal” vagy kórokozókkal, és a baktériumok számos betegségért felelősek, például a tuberkulózisért, a bubópestisért és az MRSA fertőzésekért. De a baktériumok sok jó dolgot is tesznek, és a mostani kutatás aláhúzza, hogy nélkülük az állati élet sem lenne ugyanaz.”

“A világon élő baktériumfajok valódi száma megdöbbentően nagy, beleértve a baktériumokat, amelyek most a Föld körül keringenek a légkörünk legfelsőbb rétegeiben és a mélyen a tengerfenék alatt található kőzetekben” – mondta Hadfield. “Aztán adjuk hozzá mindezeket az összes lehetséges környezetből, amit csak el tudunk képzelni, a pöcegödröktől a forró forrásokig, és mindenhol, gyakorlatilag minden élő szervezeten és minden élő szervezetben. Ezért az összes baktériumfajnak a növényekre és állatokra kórokozó aránya biztosan kicsi. Gyanítom, hogy a növények és állatok számára hasznos/szükséges baktériumok aránya is hasonlóan kicsi a világegyetemben jelenlévő baktériumok teljes számához képest, és ebből a szempontból a legtöbb baktérium biztosan “semleges”. Ugyanakkor arról is meg vagyok győződve, hogy a hasznos, sőt nagyon is szükséges mikrobák száma sokkal, de sokkal nagyobb, mint a kórokozóké.”

Az állatok eredete és a koevolúció

A baktériumok szerény kezdeteink óta fontos szerepet játszhattak azzal, hogy segédkeztek a többsejtű szervezetek keletkezésében (kb. 1-2 milliárd évvel ezelőtt) és az állatok keletkezésében (kb. 700 millió évvel ezelőtt). A kutatók nemrégiben felfedezték, hogy a többsejtű állatok egyik legközelebbi élő rokona, egy egysejtű choanoflagellata reagál az egyik zsákmánybaktérium jelzéseire. Ezek a jelek arra késztetik az osztódó choanoflagellata sejteket, hogy megőrizzék kapcsolataikat, ami jól koordinált kolóniák kialakulásához vezet, amelyekből többsejtű szervezetek válhattak. Az eredet ilyen jellegű kérdései azonban heves viták tárgyát képezik, és a tudósoknak számos hipotézise van arról, hogyan alakultak ki ezek az életformák. A baktériumok szerepe ezekben a folyamatokban nem zárja ki a többi perspektívát, de egy további megfontolással bővíti azt.

A baktériumok az állatok elindulásának elősegítése után fontos szerepet játszottak abban is, hogy segítsék őket evolúciós útjukon. Míg az állatok fejlődését hagyományosan úgy gondolják, hogy elsősorban az állat saját genomja irányítja a környezeti tényezőkre adott válaszként, a legújabb kutatások azt mutatják, hogy az állatok fejlődése jobban elképzelhető az állat, a környezet és számos mikrobafaj együttes fejlődésének összehangolásaként. Ennek a koevolúciónak az egyik példája lehetett, amikor az emlősöknél kialakult az endotermia, vagyis az a képesség, hogy anyagcsere révén állandó, körülbelül 40 °C-os (100 °F) hőmérsékletet tartsanak fenn. Ez az a hőmérséklet, amelyen az emlősök bakteriális partnerei optimális hatékonysággal dolgoznak, energiát biztosítva az emlősöknek és csökkentve táplálékszükségletüket. Ez a megállapítás arra utal, hogy a baktériumok által preferált hőmérséklet szelekciós nyomást gyakorolhatott az endotermiához kapcsolódó gének evolúciójára.

Bakteriális jelátvitel

Az állatok és a baktériumok közötti mélyen gyökerező szövetségre utaló bizonyítékok mindkét csoport genomjában is felbukkannak. A kutatók becslése szerint az ember 23 000 génjének mintegy 37%-a rendelkezik homológ génekkel a baktériumokkal és az Archaeákkal, azaz olyan, a baktériumokban és az Archaeákban található génekkel állnak rokonságban, amelyek egy közös őstől származnak.

A homológ gének közül sok lehetővé teszi az állatok és a baktériumok közötti jelátvitelt, ami arra utal, hogy képesek voltak kommunikálni és befolyásolni egymás fejlődését. Erre példa Hadfield és csoportja felfedezése, miszerint a bakteriális jelátvitel alapvető szerepet játszik a metamorfózis kiváltásában néhány tengeri gerinctelen lárvában, ahol a baktériumok bizonyos környezeti tényezőkhöz kapcsolódó jeleket termelnek. Más tanulmányok megállapították, hogy a bakteriális jelátvitel befolyásolja az emlősök normális agyfejlődését, hatással van a gerincesek és gerinctelenek szaporodási viselkedésére, és aktiválja a cecelégy immunrendszerét. Azokat a szaglóanyagokat, amelyek egyes állatokat (beleértve az embert is) a leendő párjukhoz vonzanak, szintén az állatokban élő baktériumok termelik.

A bakteriális jelátvitel nemcsak a fejlődéshez nélkülözhetetlen, hanem segít az állatoknak fenntartani a homeosztázist, így tartva minket egészségesnek és boldognak. Mint a kutatások kimutatták, a bélben lévő baktériumok a központi idegrendszeren keresztül képesek kommunikálni az aggyal. Tanulmányok kimutatták, hogy bizonyos baktériumokat nélkülöző egereknél a szorongást és a depresszióhoz hasonló viselkedést irányító agyi régiókban hibák mutatkoznak. A bakteriális jelátvitel az állatok immunrendszerének őrzésében is lényeges szerepet játszik. Ezeknek a bakteriális jelátviteli útvonalaknak a megzavarása olyan betegségekhez vezethet, mint a cukorbetegség, a gyulladásos bélbetegségek és a fertőzések. A tanulmányok arra is utalnak, hogy az állatokban betegségeket okozó kórokozók közül sokan “eltérítették” ezeket a bakteriális kommunikációs csatornákat, amelyek eredetileg azért fejlődtek ki, hogy fenntartsák az egyensúlyt az állat és több száz hasznos baktériumfaj között.

A jelátvitel az ökoszisztémák nagyobb színterén is megjelenik. A virágnektárban lévő baktériumok például megváltoztathatják a nektár kémiai tulajdonságait, befolyásolva ezzel a beporzók és a növények közötti kölcsönhatást. A hüvelyi úton született emberi csecsemőknek más bélbaktériumai vannak, mint a császármetszéssel születetteknek, aminek hosszú távú hatásai lehetnek. Az elpusztult állatokon táplálkozó baktériumok pedig elriaszthatják az állati dögevők – a náluk tízezerszer nagyobb szervezetek -, mivel olyan kellemetlen szagokat termelnek, amelyek jelzik a dögevőknek, hogy maradjanak távol.

A bélben

A legkorábbi állatoknál a bélbaktériumok fontos szerepet játszottak a táplálkozásban, mivel segítették az állatok emésztését, és hatással lehettek más közeli szervrendszerek, például a légző- és urogenitális rendszer fejlődésére. Hasonlóképpen, az állatok evolúciója valószínűleg a baktériumok evolúcióját is ösztönözte, néha erősen specializált helyekre. A termeszek bélrendszerében található baktériumfajok 90%-a például sehol máshol nem található meg. Ez a specializáció azt is jelenti, hogy minden állatfaj kihalása a vele együtt kifejlődött, ismeretlen számú baktériumvonal kihalását eredményezi.

A tudósok azt is felfedezték, hogy az emberi bélrendszer baktériumai alkalmazkodnak a változó étrendhez. Például a legtöbb amerikai bélmikrobiomja a magas zsír- és fehérjetartalmú étrend megemésztésére optimalizálódott, míg a venezuelai Amazonas vidékén élő emberek bélmikrobái jobban alkalmazkodnak az összetett szénhidrátok lebontásához. Néhány japán embernek még olyan bélbaktériuma is van, amely képes megemészteni a tengeri algát. A kutatók szerint a bélmikrobiom kétféleképpen alkalmazkodik: bizonyos baktériumfajok hozzáadásával vagy eltávolításával, illetve a kívánt gének egyik baktériumról a másikra történő átvitelével, horizontális génátvitel útján. Mind a gazdaszervezet, mind a baktériumok hasznot húznak ebből a fajta szimbiózisból, amely a kutatók szerint sokkal elterjedtebb, mint korábban gondolták.

A nagy kép

A legújabb tanulmányok összességében azt mutatják, hogy az állatok és a baktériumok története mélyen összefonódik, és egymásra vannak utalva mind saját egészségük és jólétük, mind pedig környezetük szempontjából. Bár a kutatók kizárólag az állatok és a baktériumok közötti kölcsönhatásokra összpontosítottak, arra számítanak, hogy a társfüggőség és a szimbiózis hasonló tendenciái más csoportok, például az Archaea, a gombák, a növények és az állatok között és között is általánosak. Az egykor kivételnek tekintett ilyen kölcsönhatás mostanra szabályként ismertté vált – ahogy Margulis sok évtizeddel ezelőtt megjósolta. E szimbiózisok miatt a tudósok itt azt javasolják, hogy a szervezet, a környezet, a populáció és a genom definíciói elmosódtak, és felül kell vizsgálni őket. Lehetséges például, hogy az állatokat inkább gazda-mikroba ökoszisztémáknak, mint egyedeknek kell tekinteni.

A tudósok továbbá azt jósolják, hogy az állatok és baktériumok kölcsönhatásaival kapcsolatos legújabb eredmények valószínűleg arra késztetik majd a biológusokat, hogy jelentősen megváltoztassák a teljes bioszféra alapvető természetéről alkotott nézeteiket. Ennek mentén már folyamatban vannak olyan nagyszabású kutatási projektek, mint a Humán Mikrobiom Projekt és a Földi Mikrobiom Projekt, amelyek az egyéni és globális rendszerek baktériumainak széles skáláját vizsgálják, valamint azt, hogy mi történik, ha a baktériumokat megzavarják.

A tudósok végül remélik, hogy az eredmények elősegítik a különböző területek tudósai és mérnökei közötti több tudományágat átfogó együttműködést az új mikrobiális határterület feltárása érdekében. Azt állítják, hogy ezeknek a felfedezéseknek forradalmasítaniuk kellene a biológia tanításának módját a középiskolától kezdve, azáltal, hogy nagyobb hangsúlyt fektetnek a baktériumok, állati partnereik és minden más életforma közötti kapcsolatokra.

“Nehéz összefoglalni egyetlen “legfontosabb következtetést”, azon kívül, hogy az állatokkal foglalkozó biológusokat a viselkedéstől az élettanig, az ökológiától a molekuláris biológiáig arra figyelmeztetjük, hogy nem számít, milyen folyamatot gondolnak tanulmányozni, a baktériumoknak fontos szerepet kell keresniük és figyelembe venniük” – mondta Hadfield. “Sok esetben ehhez a kutatás hagyományos határait átlépő partnerségekre lehet szükség, ami azt jelenti, hogy a zoológusoknak együtt kell működniük a mikrobiológusokkal a kutatásaik előmozdítása érdekében, a molekuláris biológusoknak együtt kell működniük az egész szervezetet vizsgáló biológusokkal stb. Nagyon szeretnénk, ha az ‘Állatok a baktériumok világában’ üzenete felhívás lenne az egyetemek élettudományi tanszékei (pl. zoológiai, botanikai, mikrobiológiai stb. tanszékek) és társaságai (pl. az Amerikai Mikrobiológiai Társaság stb.) közötti régi határok szükséges eltörlésére. Azt is szeretnénk, ha az üzenet a főiskolai és egyetemi órákon is elterjedne a bevezető biológiától a haladó kurzusokig a dolgozatunk különböző témaköreiben.”

Az eredmények alapvetően megváltoztatják majd azt, ahogyan az együttműködésben részt vevő tudósok saját kutatási területeiket folytatják, mondta Hadfield.”

“A dolgozatunk szerzőinek mindegyike alapkutatást végez a dolgozatban tárgyalt állat-baktérium kölcsönhatások egy vagy több területén, és biztos vagyok benne, hogy mindegyikük továbbra is a saját szakterületére fog összpontosítani” – mondta. “Ugyanakkor abban is biztos vagyok, hogy a tanulmány összeállítása és megírása során kialakult kölcsönhatások (kezdve a 2011. októberi NESCent-találkozónkkal, amikor a legtöbben közülünk először találkoztunk) hatással lesznek saját kutatásainkra, és arra késztetnek bennünket, hogy új együttműködéseket alakítsunk ki más laboratóriumokkal. Számomra ez már megtörtént; új együttműködésem van Dianne Newman csoportjával a CalTech-ben, egy kiváló bakteriológuscsoporttal, akik segítenek nekünk a lárvák fejlődéséért felelős bakteriális géntermékek sokkal alaposabb vizsgálatában”.