Zafascynował mnie ten świat
Rozmowa z prof. Barbarą Kot, mikrobiologiem z Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistycznego w Siedlcach
Mimo że bakterie nie są widoczne, to jedną z ich cech jest powszechność. Do końca lat 80 XX w. nie wiedziano, ile jest bakterii w konkretnych środowiskach. Rozwój technik molekularnych umożliwił ustalenie liczby oraz dominujących gatunków. W najbardziej skomplikowanym środowisku życia bakterii, jakim jest gleba, liczba gatunków w gramie waha się od kilkuset do ponad 11 tysięcy. Szacuje się, że na Ziemi występuje 10 mld gatunków bakterii, a ich zróżnicowanie wynika z możliwości wykorzystywania energii zgromadzonej w związkach organicznych i nieorganicznych oraz energii obecnej w pierwiastkach, w tym w wodorze.
Wracając do Pani pytania, czy badanie bakterii może być pasjonujące, nie mogę odpowiedzieć inaczej niż: tak. Bakterie stale zaskakują i będą zaskakiwać poprzez swoje możliwości metaboliczne, zmienność wynikającą z mutacji oraz możliwości nabywania lub eliminacji genów, co prowadzi do pojawiania się nowych cech fizjologicznych.
Świat drobnoustrojów zafascynował mnie już w trakcie studiów na kierunku biologia w Wyższej Szkole Rolniczo-Pedagogicznej – dzisiaj UPH w Siedlcach. W trakcie studiów studenci podejmują decyzję o dalszym rozwoju, wybierając zagadnienia, jakimi chcieliby się zajmować, przygotowując pracę magisterską. Ja z przekonaniem wybrałam mikrobiologię. Opiekunem mojej pracy był prof. Kazimierz Bukowski, który w tym czasie kierował katedrą mikrobiologii w Instytucie Biologii. Prof. Bukowski był pomysłodawcą zadań badawczych, które nie były proste do zrealizowania, ale pozwalał nam na dużą swobodę i własną inwencję podczas poznawania świata bakterii oraz opracowywania metod, którymi można je badać.
W jakich dziedzinach życia znajduje dzisiaj zastosowanie mikrobiologia? Czemu głównie służą badania – bo nie chodzi w nich przecież tylko o to, by zdobyć większą wiedzę o świecie przyrody…
Aktualnie mikrobiologia jest odrębną dyscypliną w dziedzinie nauk biologicznych. Drobnoustroje, którymi się zajmuje (wirusy, bakterie, archeony, grzyby, pierwotniaki i niektóre glony), stanowią niezwykle zróżnicowaną grupę. Warunkują one życie na Ziemi, umożliwiając obieg pierwiastków w przyrodzie. Wpływają także na żyzność gleby, są wykorzystywane do wytwarzania żywności, farmaceutyków i związków o znaczeniu przemysłowym. Z drugiej strony stają się przyczyną wielu chorób człowieka, zwierząt i roślin, powodują psucie się żywności. Drobnoustroje są również organizmami modelowymi, wykorzystywanymi do badania procesów komórkowych, a eksperymenty z ich zastosowaniem nie budzą zastrzeżeń etycznych.
W dyscyplinie, jaką jest mikrobiologia, wyróżnia się działy: mikrobiologia ogólna, lekarska, farmaceutyczna, weterynaryjna, środowiskowa, przemysłowa, rolnicza, żywności, co jednocześnie wskazuje dziedziny życia, w jakich współczesna mikrobiologia znajduje zastosowanie.
Aktualnie do programu studiów biologii – specjalność biologia eksperymentalna i biotechnologia, prowadzonych w naszym uniwersytecie, wprowadziliśmy przedmiot mikrobiologia przemysłowa, która jest związana z biotechnologią i zajmuje się wykrywaniem, badaniem i dostosowaniem do przemysłowego wykorzystania metabolizmu drobnoustrojów. Zajmuje się więc poznawaniem drobnoustrojów, ale poznawaniem ukierunkowanym na ich praktyczne wykorzystanie w wielu ważnych gałęziach przemysłu (przemysł chemiczny, farmaceutyczny, kosmetyczny, browarniczy, piekarniczy, winiarski oraz oczyszczanie ścieków).
Czy jako mikrobiolog ma Pani poczucie władzy nad tą cząstką świata, jaką stanowią mikroorganizmy? Czy w jakimś stopniu wymyka się on człowiekowi spod kontroli?
Techniki sekwencjonowania kwasów nukleinowych doprowadziły do przełomu w badaniach nad klasyfikacją bakterii. Uświadomiły również mikrobiologom, że większość poznawanych sekwencji kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) wspólnych genów (geny kodujące cząsteczkę RNA wchodzącą w skład rybosomów) nie odpowiada sekwencjom występującym u gatunków bakterii, które potrafimy hodować w laboratoriach. Poznawanie sekwencji DNA drobnoustrojów jeszcze niewyhodowanych, ale występujących w środowisku, umożliwia tylko częściową ich charakterystykę. Jednocześnie pokazuje, jak bardzo zróżnicowany i niezgłębiony jest świat bakterii, które pojawiły ok. 3,8 mld lat temu, a liczba gatunków wyhodowanych w warunkach laboratoryjnych sięga tylko ok. 1%. Wiedza o oddziaływaniu czynników środowiskowych na drobnoustroje, a także drobnoustrojów na środowisko jest niezbędna do zrozumienia ich strategii. Człowiek wykorzystuje drobnoustroje w wielu dziedzinach, ale jednocześnie mogą one stanowić zagrożenie dla jego zdrowia i życia.
Aktualnym tematem rozważań mikrobiologów, podejmowanym na konferencjach naukowych itp., jest zagrożenie, jakie niesie ze sobą pojawienie się i rozprzestrzenienie bakterii opornych na działanie wszystkich antybiotyków. Co jest przyczyną takiego stanu rzeczy?
Antybiotyki to wytwarzane przez drobnoustroje metabolity, które hamują wzrost innych drobnoustrojów lub powodują ich śmierć. Producenci antybiotyków eliminują w ten sposób konkurentów w danym środowisku. Oporność na antybiotyki jest naturalna u producentów tych substancji. Geny oporności powstały także u bakterii, które występowały w środowisku wspólnie z drobnoustrojami wytwarzającymi antybiotyk. W sposób przypadkowy przedostały się do materiału genetycznego bakterii chorobotwórczych. Naturalnie więc występowała niewielka liczba bakterii, które były oporne na działanie antybiotyków. Odkrycie penicyliny przez Aleksandra Fleminga w 1928 r. stało się przełomowym dokonaniem w leczeniu chorób infekcyjnych. W latach 40 i 50 XX w. otrzymano streptomycynę, tetracykliny oraz aminoglikozydy, a później także półsyntetyczne penicyliny oraz cefalosporyny. Antybiotykoterapia to niezwykle istotny środek w walce z bakteriami chorobotwórczymi, ale wraz z upowszechnieniem i nadużywaniem antybiotyków, nie tylko w medycynie, nastąpił rozwój populacji komórek opornych na poszczególne grupy antybiotyków. Wprowadzanie czynnika przeciwbakteryjnego (np. antybiotyku) do środowiska (np. do organizmu człowieka) eliminuje wrażliwe komórki bakteryjne, jednocześnie stwarza warunki do namnażania komórek opornych na ten czynnik. Kolejna przyczyna rozwoju oporności na leki przeciwdrobnoustrojowe to mutacje oraz możliwość przenoszenia genów oporności między komórkami bakterii, często niespokrewnionymi ze sobą – zjawisko to nazwano transferem horyzontalnym. Wymiana materiału genetycznego może zachodzić np. w obrębie dużej grupy bakterii jelitowych. Już w latach 50 XX w. wyizolowano pierwsze szczepy pałeczki czerwonki, które były oporne na kilka antybiotyków. Dzisiaj wiemy, że jest to efekt transferu genów oporności w formie zwartych bloków – stąd tzw. wielooporne szczepy bakterii, tzn. oporne na kilka grup antybiotyków. Takie szczepy stanowią duże zagrożenia dla zdrowia publicznego.
Mówi się dzisiaj wręcz o tym, że rozpoczęła się nowa era antybiotykooporności, a ochrona antybiotyków staje się jednym z zagadnień zrównoważonego rozwoju. Co to oznacza?
Mechanizmy oporności drobnoustrojów, łatwość przekazywania genów kodujących te mechanizmy oraz szybkie rozprzestrzenianie się szczepów wieloopornych powoduje, że możliwości terapeutyczne są ograniczone. Przyczyną selekcji i szerzenia się wieloopornych drobnoustrojów jest nadużywanie i niewłaściwe stosowanie antybiotyków. Mówi się dzisiaj o końcu „ery antybiotykowej”. Dotychczas stosowane antybiotyki tracą swoją skuteczność, jednocześnie brakuje nowych, które dawałyby szansę na eliminację patogennych drobnoustrojów. W ostatnich 20 latach wprowadzono jedynie dwa nowe leki (linezolid i daptomycyna), które mają wąskie wskazania terapeutyczne.
Oporność na antybiotyki dotyczy wszystkich drobnoustrojów i antybiotyków, ale najgroźniejsza jest w grupie tzw. patogenów alarmowych, wśród których są szczepy bakteryjne wrażliwe jedynie na jeden lub dwa antybiotyki albo oporne na wszystkie dostępne leki.
Dynamicznie narastająca oporność i brak nowych leków, których nie należy się spodziewać w ciągu najbliższych pięciu – dziesięciu lat, wymaga podjęcia działań umożliwiających jak najdłuższe utrzymanie aktywności dostępnych antybiotyków.
Jakie wyzwania stawia to zjawisko przed mikrobiologami?
Rolą mikrobiologów jest monitorowanie oporności najczęstszych patogenów, pojawiania się nowych mechanizmów oporności zarówno w środowisku szpitalnym, jak i pozaszpitalnym, monitorowanie patogenów alarmowych oraz rozprzestrzeniania się genów oporności w populacjach drobnoustrojów. Mikrobiolodzy odpowiedzialni są także za tworzenie baz danych i utrzymywanie dobrze scharakteryzowanych kolekcji drobnoustrojów inwazyjnych dla celów epidemiologicznych i naukowych, co pozwoli ustalić przyczynę zwiększonego potencjału inwazyjnego bakterii odpowiedzialnych za zakażenia w Polsce, a także pozwoli im skutecznie zapobiegać.
W doborze antybiotyku często nie jest wykorzystywana diagnostyka mikrobiologiczna, polegająca na identyfikacji czynnika sprawczego choroby infekcyjnej oraz na określeniu jego wrażliwości na substancje przeciwbakteryjne, co pozwala na bezpieczną i skuteczną terapię celowaną.
Dziękuję za rozmowę.
Prof. Barbara Kot pracuje w Uniwersytecie Przyrodniczo-Humanistycznym w Siedlcach od 1990 r. Pełni funkcję dyrektora Instytutu Biologii oraz kierownika Zakładu Mikrobiologii w IB. Naukowo zajmuje się m.in. bakteriocynogenią, antybiozą, lekoopornością, fizjologią i genetyką molekularną drobnoustrojów.
Monika Lipińska