Jakie są pierwsze skojarzenia, kiedy usłyszy się słowo drobnoustrój? Czy nie przybiegają na myśl wyobrażenia szpitalnych korytarzy, lekarzy, łykanych antybiotyków? Może nawet przypomni się lekooporna bakteria New Dehli, o której dużo się mówiło w ostatnim czasie. Dla przeciętnego zjadacza chleba na ogół nie dający się łatwo obserwować świat mikroorganizmów ma raczej negatywne konotacje. Ba, świat ten może nawet i budzić lęk. Nie ma co ukrywać, nikt nie lubi chorować. Ujemne oblicze aktywności tych mikroskopijnej wielkości form biologicznego życia niejednokrotnie pozwala zmarginalizować, a nawet zapomnieć o ich korzystnej, z punktu widzenia działalności ludzkiej, roli. Mianowicie gdyby nie one, prawdopodobnie nie bylibyśmy w stanie poradzić sobie z tonami śmieci, które generujemy. Bakterie, jak również organizmy wyższe (grzyby, glony, rośliny) stoją na straży czystości naszego środowiska, pomagając przywrócić jego prawidłowe funkcjonowanie. Wspomnianym jednokomórkowcom zawdzięczamy ograniczenie rozmiarów katastrofy ekologicznej, która miała miejsce kilka lat temu w Zatoce Meksykańskiej w wyniku eksplozji platformy wiertniczej Deepwater Horizon. W oczyszczaniu wód tego akwenu oraz gleb linii brzegowej aktywny udział miały naturalnie występujące bakterie konsumujące składniki ropy naftowej.

Jak to możliwie? Otóż niektóre mikroorganizmy można porównać do samochodów napędzanych węglowodorami zawartymi w ropie. Dzięki energii powstającej podczas spalania wspomnianych związków możemy przemierzać kilometry dróg. Z kolei drobnoustroje wykorzystują te substancje w charakterze paliwa, aby realizować swoją podstawową strategię, tj. móc się namnażać. Wszystko wydaje się oczywiste, jednak tylko z pozoru, gdyż złożoność świata żywego czasami potrafi zaskoczyć. Jak inaczej niż z wielkim zadziwieniem podejść do tego, że mikroskopijnej wielkości komórka, której czas życia niekiedy wynosi kilkadziesiąt minut, prowadzi tysiące skomplikowanych procesów? Co ciekawe, realizując przy tym różne strategie życiowe, ale o tym za chwilę. Niekiedy możemy korzystać z niesamowitych aktywności mikroorganizmów, wykorzystując je jako „mikrooczyszczalnie” w zabiegach remediacji skażonego środowiska wodnego oraz gruntowego.

Schrupać piren czy n-alkan?

Choć od kilku lat poważnie zajmuję się mikrobiologią, moje chemiczne zainteresowania nigdy nie poszły w zapomnienie. Gdy zastanawiałam się nad mikrobiologicznym rozkładem substancji ropopochodnych, pewne kwestie z pogranicza chemii, biochemii i mikrobiologii zaczęły budzić wątpliwości. Dowiadujemy się na lekcjach chemii, że ropa to złożona, wieloskładnikowa mieszanina zawierająca różne grupy węglowodorów, które cechują się często odmienną budową chemiczną. Zatem w jaki sposób drobnoustroje radzą sobie z tym bogactwem struktur (liniowe i rozgałęzione, pierścieniowe, a nawet aromatyczne) i różnorodnością właściwości chemiczno-fizycznych, które spotykamy w obrębie węglowodorów? Czy niektóre mikroorganizmy zdolne są tylko do rozkładu jednej grupy związków, przykładowo liniowych n -alkanów, zaś inne grupy bakterii aktywnie uczestniczą w przemianach bardziej złożonego benzenu oraz toluenu? Czy w ten sposób – poprzez specjalizację zdolności metabolicznych w obrębie poszczególnych rodzajów bakterii – natura rozwiązała problem utylizacji opisywanych substancji?

Z drugiej strony możliwym rozwiązaniem wydaje się dywersyfikacja substratów pokarmowych. Innymi słowy, być może istnieją takie mikroorganizmy, które są w stanie „chrupać” piren czy naftalen (związki aromatyczne) oraz dodatkowo „przegryzą” n -heksadekan (n -alkan). Taka strategia brzmi całkiem atrakcyjnie. Daje ona bowiem możliwość przełączenia się z jednego substratu na inny, o który być może konkurencja jest dużo mniejsza. Tym samym rozszerzenie profilu metabolicznego jest korzystne, ponieważ zapewnia dostęp do większej ilości bardziej zróżnicowanego pokarmu.

Niezły temat badawczy

Te rozważania zainspirowały mnie do podjęcia kroków mających na celu poszukiwanie bakterii, które z budki z węglowodorami wybiorą zarówno n -alkan, jak i trudniej rozkładany fenantren. Oznacza to, że mikroorganizm musi dysponować odpowiednimi, zgoła odmiennymi mechanizmami zapewniającymi pobór, a następnie rozkład obu tych substancji. Zatem szlaki metabolizmu n -alkanów i węglowodorów aromatycznych powinny współistnieć w obrębie pojedynczej komórki bakteryjnej. Czy rzeczywiście ma to miejsce? Być może dla organizmu jest to zbyt duże obciążenie energetyczne, aby zachować, przekazać informację genetyczną oraz utrzymać ekspresję odmiennych aparatów enzymatycznych np. n -heksanu i naftalenu?

Zgromadzone dane literaturowe odnoszące się do omawianej grupy drobnoustrojów były raczej skąpe. Nieliczni autorzy wskazywali na możliwość występowania poszerzonych zdolności metabolicznych węglowodorów wśród bakterii. Bingo! Trafiłam na niezły temat badawczy. Ciekawość badacza pchała mnie do przodu, aby rozwiązać problem dystrybucji wzmocnionego potencjału degradacyjnego w świecie mikroorganizmów. Wystarczyło pozyskać bakterie i sprawdzić, które związki są w stanie metabolizować. Sprawa wydawała się raczej prosta, jednak nie oczywista. Próbki gleb pobrane zarówno z miejsc skażonych, jak i nieeksponowanych na zanieczyszczenia antropogeniczne (tereny parków narodowych) „przyjechały”, a nawet „przyleciały” z różnych miejsc na globie. Izrael, Kuwejt, Austria, Słowenia i oczywiście Polska to główne lokalizacje, w których pobrano próbki gleb. Czaso– i pracochłonna izolacja bakterii wykazujących wzrosty w obecności ropy naftowej wymagała pewnego poświęcenia. Jednakże chęć odpowiedzi na nurtujące pytania zwyciężyła.

Obserwacja charakterystycznej warstwy bakteryjnej pojawiającej się na granicy faz podłoże mineralne – n -heksadekan, benzen lub ksylen świadczyła o transformowaniu testowanego związku. W przypadku wyższych węglowodorów aromatycznych sprawa nie była już tak prosta, a uzyskiwane odczyty niejednoznaczne. „Może jednak ewolucja postawiła na specjalizację w przypadku katabolizmu substancji ropopochodnych?”, zastanawiałam się. Jednak w dalszym ciągu nie składałam broni. Niejakim rozwiązaniem było uzbrojenie oczu w specjalistyczny mikroskop skaningowy. Umożliwił on bowiem obserwację biofilmów bakteryjnych powstających na powierzchni kryształów antracenu, pirenu czy fenantrenu. Brawo dla nowoczesnych metod analitycznych! Co więcej, możliwość podglądania różnych etapów tworzenia się skupisk bakterii – począwszy od kilku komórek niczym koraliki nanizanych na nić, po dojrzały, wielowymiarowy twór bakteryjny – była niesamowita.

Uzyskane wyniki potwierdzały wcześniejsze dane: mikroorganizmy zdolne do rozkładu zarówno n -alkanów, jak i węglowodorów aromatycznych rzeczywiście istnieją. Wraz z postępem moich badań i włączeniem badań metagenomicznych (umożliwiających analizę pełnej puli genów występujących z analizowanej próbce gleby) okazywało się, że takich bakterii, które raz zjedzą zupę n -alkanów, a innym razem pożywią się naftalenem tudzież ksylenem, jest całkiem sporo.

Bakterie w teren

W zdumienie wprowadziły mnie kolejne małe odkrycia. Mianowicie występowanie tej grupy drobnoustrojów nie ograniczało się do gleb bogatych w związki ropopochodne. Z łatwością można było je znaleźć w środowiskach, które chroni się przed różnego rodzaju skażeniami antropogenicznymi. Dla przykładu, liczne szczepy bakteryjne zostały wyizolowane z gleb pobranych na terenie rezerwatu ścisłego Białowieskiego Parku Narodowego. Co ciekawe, pozyskane mikroorganizmy należały do różnych rodzajów, choć dominujący udział należał do przedstawicieli Rhodococcus oraz dawnego rodzaju Mycobacterium , w obrębie którego występują chorobotwórcze prątki gruźlicy. Co więcej, przedstawiciele wspomnianego gatunku (Mycobacterium tuberculosis ), podobnie jak ich środowiskowi krewni, posiadają potencjał degradacji n -alkanów wyrażony obecnością genu alkB , związanego z przemianami wspomnianych związków. Przypuszczalnie obie grupy Mycobacterium wywodzą się od wspólnego przodka, który posiadał ową determinantę genetyczną. Ach, ta przyroda! Potrafi zadziwić człowieka!

Mając szeroki wachlarz szczepów bakteryjnych o różnych profilach metabolicznych, postanowiłam, że nie będą one służyć tylko nauce. Postawiłam przed nimi ambitne zadanie i wysłałam je w teren. I to nie byle jaki, tylko silnie zanieczyszczony substancjami ropopochodnymi, które w tym miejscu zalegały już kilkadziesiąt lat. Jak się sprawdzą? Czy dadzą sobie radę? – martwiłam się. Wyselekcjonowałam najbardziej efektywne szczepy bakteryjne, które tworzyły konsorcjum bakteryjne. Stworzyłam im optymalne warunki, aby mogły spokojnie się rozkoszować smakiem węglowodorów. Zapewniłam im odpowiednie proporcje trzech głównych pierwiastków (węgla, azotu, fosforu), aby mogły prowadzić podstawowe procesy metaboliczne, tj. syntezę białek, cukrów, tłuszczy i kwasów nukleinowych. Dbałam, aby nasi pomocnicy mieli dostęp do tlenu, gdyż w takich warunkach procesy mikrobiologicznego rozkładu omawianych związków zachodzą znacznie szybciej. Zrobiłam chyba wszystko, teraz pozostało czekać na efekty. A te mogły być różne…

Ktoś porównał bakterie do nastolatków, które prosi się o skoszenie trawnika. Pewnie, dzieciaki potrafią to zrobić i może nawet zrobią. Pytanie: czy rezultat będzie zadowalający? Analogicznie jest z bakteriami. Nigdy nie można z góry założyć, jaki będzie efekt końcowy. Zwłaszcza że jest on zdeterminowany przez różne zmienne, które z reguły są poza naszą kontrolą. Nie wszyscy wiedzą, że bakterie wyróżniają się odmiennymi strategiami życiowymi. Zaskakujący jest fakt, że te jednokomórkowce mają pewne preferencje, które raczej przypisalibyśmy organizmom wyższym. Złożoność świata potrafi co chwila płatać figle.

W tym miejscu przytoczę wyniki moich wcześniejszych badań. Mieniąca się pięknym pomarańczowo-żółtym kolorem bakteria Mycobacterium frederiksbergense IN53 wykazywała K-strategię życiową, będąc lepiej dostawaną do środowisk, w których zasoby łatwo dostępnych i szybko dających się metabolizować substancji odżywczych są ograniczone. Z kolei szybko rosnący przedstawiciel rodzaju Acinetobacter preferował odmienne nisze ekologiczne, realizując r-strategię. Wystawiając obie bakterie w konkursie na usunięcie węglowodorów w silnie zanieczyszczonej glebie, gdzie wilgotność i dostęp tlenu były ograniczone, dzielny K-strateg pokonał konkurenta, uzyskując palmę pierwszeństwa.

Wróćmy do poprzednich rozważań. I tym razem bakterie się spisały. Usunęły one zarówno frakcję alifatyczną, jak i aromatyczną zidentyfikowaną w odpadzie. Zatem mogą być wykorzystywane przy kolejnych pracach bioremediacyjnych.

Te małe stworki, które często jawią się jako złowrodzy nieprzyjaciele, nierzadko odkrywają przed nami swoją drugą, pozytywną „twarz”. Dają się poznać jako skomplikowane twory, wykazujące różne preferencje i realizujące różnorodne strategie. Warto jednak pamiętać, że są naszymi sprzymierzeńcami.