Twoja wyszukiwarka

MARTA KOTON-CZARNECKA
MIKROSKOPIJNY RAMBO
Wiedza i Życie nr 2/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/2001

Promieniowanie po eksplozji bomby atomowej powoduje na obszarze setek kilometrów śmierć wszystkiego, co żyje. Wszystkiego, ale nie bakterii Deinococcus radiodurans, która doskonale radzi sobie w ekstremalnych sytuacjach.

Jak dowodzą wyniki badań laboratoryjnych, bakteria Deinococcus radiodurans toleruje dawkę promieniowania równą 1.5 mln radów, czyli 3 tys. razy większą niż dawka śmiertelna dla człowieka. Jak radzi sobie z tak silnym promieniowaniem? Na to pytanie naukowcy szukają odpowiedzi od chwili jej odkrycia. Pierwsze doniesienia o Deinococcus radiodurans pojawiły się w 1956 roku podczas prób sterylizacji konserw. Testowano wówczas możliwość zastąpienia wysokiej temperatury promieniowaniem jonizującym. Eksperymenty wykazały, że promieniowanie zabiło wszystkie mikroorganizmy w badanych puszkach, z wyjątkiem jednego. Po wyizolowaniu tego tajemniczego mikroorganizmu nazwano go właśnie Deinococcus radiodurans.

Istnienie bakterii odpornej na ogromną radiację wzbudziło duże zainteresowanie wśród mikrobiologów, zwłaszcza że potrafi ona przetrwać w ekstremalnych warunkach, nie przechodząc w stadium "opancerzonych" przetrwalników (czyli komórek o znacznie spowolnionym metabolizmie i otoczonych grubą ścianą). Tak radzi sobie wiele innych gatunków bakterii w niesprzyjających warunkach środowiskowych. Jednak nawet bakterie tworzące przetrwalniki nie są w stanie przeżyć silnego promieniowania.

Badania tego zagadkowego mikroorganizmu wykazały, że toleruje on nie tylko wysokie dawki promieniowania jonizującego, ale także ultrafioletu i promieni Rentgena. Zupełnie niewrażliwy jest również na wysuszenie i zabójcze dla innych organizmów stężenia mutagennych związków chemicznych. Wszystkie te czynniki mają podobny wpływ na żywe komórki powodują powstawanie uszkodzeń i pęknięć w nici DNA, czyli - mówiąc inaczej - "dziur w genach". Prędzej czy później prowadzi to do śmierci komórki.

Na nieustanne działanie tych i wielu innych czynników mutagennych narażone są wszystkie zamieszkujące Ziemię organizmy. W toku ewolucji musiały więc powstać mechanizmy naprawiające te nieuniknione uszkodzenia materiału genetycznego. Mechanizmy naprawcze większości organizmów potrafią usunąć, bez widocznego wpływu na życie komórki, około pięciu pęknięć DNA powstałych w jednym czasie. Ale 1.5 mln radów, czyli dawka, jaką toleruje Deinococcus radiodurans, powoduje powstanie aż 100-200 dziur w genomie. W tym przypadku nie możemy zatem już mówić o pęknięciach, ale o poszarpaniu całego chromosomu bakteryjnego na setki kawałków.

Jednak mimo tak porozrywanego DNA ta niesamowita bakteria w jakiś sposób potrafi w ciągu zaledwie 8-10 godzin doprowadzić swój chromosom do pierwotnego stanu. Sam fakt ponownego łączenia się poszczególnych fragmentów DNA nie jest jednak niczym niezwykłym. Naprawdę frapującym problemem jest to, w jaki sposób fragmenty te nawzajem się odnajdują i rozpoznają, tak aby każdy z nich zajął właściwe miejsce w odbudowanym chromosomie. To tak jakby komórka bakterii układała niezwykle skomplikowane puzzle.

Częściowe rozwiązanie tej zagadki przyniosło zsekwencjonowanie genomu Deinococcus radiodurans. Dokonał tego w listopadzie 1999 roku zespół naukowców pracujący w ramach Microbial Genome Program. Okazało się, że ponad połowa z 3100 genów bakterii jest zaangażowana w systemy popromiennej naprawy DNA. Około tysiąca genów Deinococcus radiodurans jest charakterystyczne tylko dla tego mikroorganizmu i być może ma coś wspólnego z jego niezwykłą wytrzymałością.

Oprócz niebywale rozbudowanego i wyjątkowo skutecznego systemu naprawczego duże znaczenie ma zapewne występowanie w komórce kilku kopii chromosomu bakterii (2-10 zależności od stadium rozwojowego). Daje to szansę, że z kilku uszkodzonych przez promieniowanie kopii chromosomu bakteria zdoła odtworzyć jedną, ale za to "całą i zdrową". Jest to unikalna cecha deinokoków, ponieważ zdecydowana większość poznanych dotychczas bakterii ma tylko jeden chromosom.

Pęknięcia nici DNA nie są jedynymi uszkodzeniami powstałymi podczas naświetlania komórek promieniowaniem jonizującym czy ultrafioletem. Całkowitemu lub częściowemu zniszczeniu mogą ulec poszczególne nukleotydy, czyli "cegiełki" budujące nić DNA. Aby takie wadliwe nukleotydy nie zostały włączone do odbudowującego się genomu, Deinococcus radiodurans wykształcił niespotykany u żadnego innego organizmu mechanizm wyrzucania ich z komórki. Zmniejsza się dzięki temu niebezpieczeństwo, że uszkodzone elementy zostaną wmontowane w odbudowywany genom.

Promieniowanie jest nie tylko bezpośrednią przyczyną niebezpiecznych mutacji, czyli zmian w DNA. Może także pośrednio oddziaływać na organizmy żywe poprzez powodowanie różnych przekształceń w środowisku. Pod jego wpływem powstają np. wolne rodniki i nadtlenki, czyli toksyczne dla mikroorganizmów związki tlenu. Dla Deinococcus radiodurans nie są one jednak zbyt groźne. W komórkach tego zadziwiającego mikroorganizmu wykryto bardzo duże ilości enzymów chroniących go przed zabójczym działaniem związków tlenu. Przykładem może być dysmutaza nadtlenkowa, której Deinococcus radiodurans ma prawie 50 razy więcej niż pospolita pałeczka jelitowa Escherichia coli. Ważną rolę pełnią też znajdujące się w komórkach Deinococcus radiodurans karotenoidy, czyli barwniki nadające im różowo-czerwone zabarwienie. Działają one jak niszczyciele wolnych rodników. Także związki budujące zewnętrzną osłonę Deinococcus radiodurans różnią się od spotykanych u innych bakterii, więc może one również wspomagają odporność na szkodliwe warunki środowiskowe.

Zrozumienie mechanizmów odporności na radiację jest ważne ze względów naukowo-poznawczych. Może mieć także istotne znaczenie praktyczne, zwłaszcza dla ochrony środowiska i medycyny. Przewiduje się, że już w najbliższej przyszłości Deinococcus radiodurans będzie z powodzeniem wykorzystywany do utylizacji radioaktywnych odpadów przemysłowych. Naukowcy planują bowiem stworzenie metodami inżynierii genetycznej nowego organizmu, który byłby oporny na promieniowanie jak Deinococcus radiodurans, a ponadto potrafiłby rozkładać szkodliwe związki organiczne (np. toluen, chlorobenzen czy indol).

Zmodyfikowane bakterie wykorzystywałyby je jako źródło węgla i energii potrzebnej do wzrostu i funkcjonowania (tak jak my wykorzystujemy białka, węglowodany i tłuszcze). Radioaktywne związki organiczne stanowiłyby więc doskonałą pożywkę dla takiego organizmu.

Ponieważ Deinococcus radiodurans nie ma zdolności rozkładu i przyswajania szkodliwych związków organicznych, trzeba dołączyć do jego genomu odpowiednie fragmenty DNA pochodzące z innej bakterii. Bakterie zawierające takie geny znamy już od dawna, ale dotychczas, ze względu na ich dużą wrażliwość na promieniowanie jonizujące, nie można było wykorzystać ich do degradowania organicznych produktów radioaktywnych. Obecnie, znając sekwencję genomu Deinococcus radiodurans i geny rozkładające toksyczne związki organiczne, możemy połączyć je ze sobą.

Zastosowanie Deinococcus radiodurans w medycynie nie jest aż tak oczywiste jak w ekologii. Być może jednak zsekwencjonowanie genomu tej nietypowej bakterii pomoże w zrozumieniu i leczeniu raka. Przyczyną procesu nowotworowego jest powstanie w którejś z komórek organizmu szeregu mutacji prowadzących do nie kontrolowanych podziałów. Do choroby mogłoby nie dojść, gdyby prawidłowo i w porę zadziałały komórkowe mechanizmy usuwania mutacji. Ale gdyby do komórek zagrożonych rakiem "wstrzyknąć" geny odpowiedzialne za naprawę DNA, pochodzące np. z Deinococcus radiodurans, być może udałoby się powstrzymać rozwój nowotworu. Niestety, realizacja tego obiecującego pomysłu nie jest łatwa. Zanim będzie można zastosować opisywaną terapię w leczeniu raka, trzeba najpierw rozwiązać wiele problemów. Przede wszystkim musielibyśmy tak zmodyfikować systemy naprawy DNA pochodzące z komórek bakteryjnych, aby mogły sprawnie działać również w zupełnie odmiennych komórkach ludzkich.

Możliwe, że dalsze rozszyfrowywanie zagadki Deinococcus radiodurans wskaże jeszcze inne przydatne dla ludzkości zastosowania tej niezwykłej bakterii.

Jak powstała odporność na promieniowanie radioaktywne?

Odporność na promieniowanie, jaką wykazuje Deinococcus radiodurans, nie jest potrzebna organizmom zamieszkującym Ziemię, gdyż tak silne promieniowanie nie występuje w naturalnych warunkach na naszej planecie. Zatem dlaczego i po co taka odporność w ogóle się wykształciła? Trudno przypuszczać, że Deinococcus radiodurans "przewidział" skonstruowanie przez człowieka bomby atomowej. Według jednej z teorii, Deinococcus radiodurans powstał gdzieś w kosmosie (gdzie istnieje silne promieniowanie jonizujące, a więc przydaje się na nie odporność) i przybył na Ziemię wraz z jakimś meteorytem. Jednak przemieszczanie się w przestrzeni kosmicznej i przedostanie się przez ziemską atmosferę naraziłoby bakterię na działanie niezwykle wysokich temperatur, których Deinococcus radiodurans nie toleruje (uśmierca go bowiem temperatura 45°C). Bakterie musiałyby więc podróżować wewnątrz meteorytu. Bardziej prawdopodobna wydaje się inna teoria: Deinococcus radiodurans jest jedną z najwcześniejszych form życia powstałych na Ziemi - istnieje na niej już od 2 mld lat. Być może w tak odległej przeszłości promieniowanie na naszej planecie miało dużo większe natężenie. Deinococcus radiodurans, aby przeżyć, musiał wykształcić na nie odporność, która nie zmieniona dotrwała aż do dzisiaj.

Mgr MARTA KOTON-CZARNECKA jest doktorantką w Instytucie Mikrobiologii Uniwersytetu Warszawskiego.