Mikrobi: sovražniki in »antibiotiki« prihodnosti

Informacijo, da se ustanavlja metagenomski center za proučevanje mikroorganizmov z visokozmogljivimi metodami sekvenciranja za zagotavljanje zdravega okolja, varne hrane, razvoja novih zdravil in zdravja ljudi, bi človek v še ne tako davni preteklosti nujno povezal z veliko stavbo, opremo in številčno ekipo. Prvi zasebni neprofitni znanstvenoraziskovalni inštitut IMZT v Domžalah, te mikro-, makro- in megaraziskave prikaže v povsem novih razsežnostih.

Jedro Inštituta za mikrobiološke znanosti in tehnologije (IMZT), ki na pročelju stavbe opozarja nase s sodobnimi aplikacijami mikrobne združbe in »proučevanjem konceptov na polju okoljske mikrobiologije ter nanobiotehnologije v tesni povezavi s človekom«, je Lapanjetov laboratorij. Vodi ga znanstveni svetnik dr. Aleš Lapanje, univ. dipl. biol. Izkušeni sogovornik je vzgojil skupino mladih, delavnih raziskovalcev, »ki raziskujejo horizontalne prenose genov od celične pa vse do združbene ravni, kjer se procesi genskega prenosa dogajajo v različnem času in prostoru«.

Pred razlago teh podrobnosti vprašanje, kako izbirate mlade raziskovalce in doktorske kandidate? In še, kaj je bistvo »razvoja novih konceptov in inovativnih pristopov k reševanju znanstvenih in tehnoloških problemov«, kar poudarjate v organogramu IMZT?

V našem laboratoriju gojimo visoko delovno kulturo, sodelovanje, odprto in konstruktivno komunikacijo. Mladi raziskovalci imajo že med dodiplomskim in podiplomskim študijem pred seboj natančen program predvidenih obveznosti: vedno bolj samostojno raziskovanje, prijavljanje patentov in objavljanje znanstvenih člankov. V tretjem letu doktorskega študija sodelavci vedo, da pričakujemo bolj ali manj samostojno prijavo projekta in ustvarjanje lastne mreže, ki je potem dobra popotnica za pokrivanje podoktorskega izobraževanja.

Kako se vključujete v mednarodna znanstvena omrežja?

Tako imenovano mrežno delovanje je pri nas nujno. V laboratoriju spodbujamo tisto, kar kot znanstveniki potrebujemo pri svojem delu, in osrednja nit oziroma orodje je znanje oziroma so to možgani. Ti pa so razpršeni po vsem svetu in hkrati povezani na različnih ravneh in poljih znanosti in raziskovanja. Prek te mreže sodelujemo z najrazličnejšimi znanstvenoraziskovalnimi institucijami v večini evropskih držav, v ZDA in Kanadi, načrtujemo tudi širjenje na Kitajsko. Pri navezovanju stikov imajo veliko prednost znanstveniki, ki objavljajo v zelo dobrih in odmevnih publikacijah, in mi smo med njimi. V evropskem raziskovalnem prostoru smo zanimivi zaradi organizacijske oblike, ker delujemo kot d. o. o. po eni strani in kot raziskovalni inštitut po drugi in se v obeh vlogah lahko vključujemo v različne raziskovalne konzorcije.

Na spletnih straneh navajate spoštovanja vreden seznam domačih in mednarodnih projektov, ki jih vodite ali pri njih sodelujete. Med njimi jih je kar nekaj še iz 7. okvirnega evropskega programa, denimo Biotreat, Hydronet in Biocorin. Jih lahko na kratko predstavite?

Za evropski projekt Biotreat, ki se ukvarja s podtalnico, torej pitno vodo ter raziskovanjem in preprečevanjem njenega onesnaženja s pesticidi, ostanki zdravil in drugih mikropolutantov, smo razvili poseben sistem s pritrjenimi mikroorganizmi, ki očisti pitno vodo pesticidov. V projektu Hydronet smo razvili biološki senzor s pomočjo bakterij. Ta naravni »biološki instrument« zaznava in določa biološko dostopno frakcijo živega srebra v vodi. Kot molekularni biologi smo proučevali, kako se združbe bakterij odzivajo na koncentracijo živega srebra na različnih razdaljah od žarišča onesnaženja. Ob tem smo pojasnili nekatere prej nejasne ali premalo znane mehanizme, ki omogočajo prevzemanje genov med sorodnimi ali tudi povsem tujimi vrstami bakterij. Ti mehanizmi tako spremenjenim bakterijam omogočajo preživetje v določeni niši oziroma spremenjenem, zanje neugodnem okolju. V projektu Biocorin pa smo proučevali vpliv mikrobov na potek korozije z metagenomskim pristopom.

Proučevanje mikroorganizmov torej ni samo še vedno, temveč čedalje bolj vznemirljivo, saj zadeva vse bolj ogroženo okolje in naše zdravje, pri čemer nas ogrožajo in varujejo večno izmuzljive in pametne bakterije, ki postajajo tudi vse bolj odporne proti večini antibiotikov.

Našteto in še marsikaj drugega je zelo pomemben del naših temeljnih in aplikativnih znanstvenoraziskovalnih dejavnosti. Človeški mikrobiom, to je skupek mikrobnih celic, ki sobiva z nami, lahko bi rekli, da je naš drugi jaz, naš drugi genom, je velikansko znanstveno polje, ki se ga za zdaj raziskovalno dotikamo samo po površini, ogromno je še neznanega. Zgovoren je že podatek, da število mikroorganizmov, ki jih imamo v prebavnem sistemu, na koži in drugod znotraj telesa, presega število človeških celic za faktor deset, da ne govorim, kako kompleksne so te interakcije s človekom.

Za kaj gre pri vašem raziskovanju tako imenovanih biofilmov, kar je tudi omenjeno med projekti?

Biofilmi imajo v slehernem okolju in našem življenju zelo pomembno vlogo. Ko imate pred seboj kozarec mineralne vode, morate vedeti, da so v njej različni mikroorganizmi, ki so rezultat izločanja mikrobov iz biofilmov v vrtini. Biofilmi v črevesju so povezani s črevesnim epitelijem in tako naprej. Biofilme lahko razumemo tudi kot agregate celic, ki prosto plavajo v ekosistemu, in ne samo kot pritrjene na površino. Raziskovalci poskušamo razumeti, kako celice v določenem okolju preživijo, se prilagajajo, združujejo ali propadajo. S številnimi raziskavami so v svetu že skušali ugotoviti in dokazati, kako celica natančno ve, na kaj se bo pritrdila, kako se celice združujejo in njihovi skupki prekrivajo različne podlage.

Mi pa smo hoteli izvedeti več, in sicer, ali lahko kako vplivamo na neki ekosistem oziroma ga uravnavamo s pomočjo umetnih biofilmov, se pravi s spremenjeno sestavo celic na določeni površini oziroma v določenem okolju. Rezultati takega temeljnega raziskovanja biofilmov in razumevanja, kako se mikroorganizmi pritrjujejo na primer na kovinsko podlago, ki jo zato ogroža korozija, so uporabni v pristaniščih, gradbeništvu, pri mostovih in različnih drugih konstrukcijah. Pri vsem naštetem se že zdaj uporablja različna zaščita proti koroziji. Toda z vidika varnosti za morski ekosistem in vse drugo okolje so pomembne raziskave, ki bi preprečevale korozijo na biološki, za okolje prijazen način.

Drugi takšen uporaben rezultat proučevanja umetno pritrjenih mikroorganizmov je povezan s projektom Biotreat, pri čemer lahko omenim naš pomembni raziskovalni dosežek, to je razvoj posebnih nosilcev s celicami, ki so sposobne desetkrat hitreje in bolj učinkovito razgrajevati nekatere pesticide v okolju oziroma podtalnici. S tem projektom, ki prav zdaj prehaja iz laboratorija v prakso, sodelujemo z eno največjih vodarn v Evropi.

In kako pomagate razgaljati v stroki zanimivo mikrobiološko dogmo, da so živi le tisti mikroorganizmi, ki se delijo oziroma ko se delijo?

Delitev celic v oligotrofnem okolju je zelo upočasnjena. V takšnih okoljih tudi izoliramo najmanj mikroorganizmov in jih zato najmanj razumemo. Oligotrofno okolje je revno s hranili in mikroorganizmi so na to prilagojeni. V naravi najdemo take mikroorganizme denimo v podtalnici in pod površino ledenikov. Torej, ti mikrobi se v osnovi skoraj ne delijo, a živijo. Dogma trdi, da se morajo živi mikroorganizmi deliti, mi pa bi radi videli, kaj se dogaja z njimi, ko jim na mehanski, in ne na kemijski način preprečimo delitev. Za to smo razvili ustrezno tehniko oziroma orodje. Pri tem pa ne gre le za našo akademsko radovednost.

Koristno in širše, predvsem tudi klinično uporabno je razumeti odziv celic, ki se ne morejo deliti. Ključno je vprašanje, kdaj, v kakšnih razmerah in okoliščinah, ko se jih omejuje na primer v biofilmu, znotraj makrofagov, se celice odzivajo tako, da postanejo bolj odporne in kdaj manj. Z orodji, ki smo jih razvili, lahko tudi bolj natančno spremljamo prisotnost oziroma aktivnost mikroorganizmov, ko so zavrti v procesu delitve, in s tem posledično olajšamo izbiro ustreznega antibiotičnega zdravljenja.

Poudarjate proučevanje horizontalnega prenosa genov med celicami, v združbah in večjih populacijah. Zakaj je to pomembno?

Zato, ker z že omenjenim horizontalnim prenosom genov mikroorganizmi pridobivajo nove lastnosti, med njimi najpomembnejšo – odpornost proti antibiotikom. Moramo še bolje razumeti, kako mikroorganizmi privzemajo nove gene, kakšen je »bazen« genov v zunanjem svetu, kaj se potem pri tako spremenjenih mikroorganizmih dogaja v človekovem organizmu ... Kot je bilo že velikokrat omenjeno, klinična medicina počasi izgublja boj z bakterijami, ker številni, pogosto uporabljeni antibiotiki preprosto niso več učinkoviti, novih pa skoraj ni. To pomeni, da bo treba na tem področju pospešiti raziskave in iskati nove možnosti z uporabo novih učinkovin, postopkov in tehnologij.