Nov, radikalnejši spopad z neuničljivimi bakterijami

Zadnja leta strokovnjaki odkrivajo nove in nove seve bakterij, ki uspešno kljubujejo celo najmočnejšim antibiotikom. Te »superbakterije«, med njimi proti zdravilom odporne oblike bakterij tuberkuloze in stafilokokov, vsako leto okužijo na milijone ljudi in zahtevajo čedalje več smrtnih žrtev. Toda kljub vse številnejšim in glasnejšim pozivom po nujnosti novih, učinkovitejših oblik zdravljenja je bilo v zadnjem desetletju le malo poskusov odkritja novih vrst antibiotikov.

Na začetku letošnje jeseni pa so raziskovalci s Tehnološkega inštituta Massachusettsa (MIT) v sodelovanju s kolegi s tokijske univerze predstavili kar dve novi, radikalnejši orodji za rešitev tega vse bolj perečega problema. Uporabili so sistem za gensko »urejanje«, ki teoretično lahko onesposobi katerikoli tarčni gen, in dokazali, da je mogoče selektivno pobijati bakterije, opremljene z geni, ki jim bodisi omogočajo odpornost proti antibiotikom bodisi neposredno povzročajo bolezni pri ljudeh.

Vodja osrednje raziskovalne skupine dr. Timothy Lu, predavatelj biološkega in električnega inženiringa ter računalniških znanosti na Mitu, je najnovejša dognanja objavil v septembrski številki revije Nature Biotechnology. Le mesec dni prej pa so v njegovem laboratoriju odkrili še en zanimiv pristop k spopadu z rezistentnimi bakterijami: identificirali so kombinacije genov, ki z družnim delovanjem na bakterijo dosežejo, da ta postane občutljivejša za antibiotike.

»Obe novi tehnologiji naj bi znanstvenikom omogočili odkritje novih, učinkovitejših zdravil proti čedalje bolj odpornim bakterijam,« pričakuje profesor Lu.

A pri tem selektivnem pristopu ne gre toliko za pobijanje bakterij, kot predvsem za njihovo »prevzgojo«, rehabilitacijo. »Ena temeljnih slabosti obstoječih antibiotikov je namreč to, da ne morijo samo 'slabih', ampak tudi 'dobre' bakterije,« poudarja dr. Lu. »In ker v človeškem telesu domuje desetkrat več bakterijskih celic kakor človeških, je seveda zelo pomembno, da ta mikrobiom ohranimo v čim bolj neokrnjenem ravnovesju, saj odločilno prispeva k našemu zdravju.«

Izrezana odpornost

Večina antibiotikov deluje tako, da motijo ključne funkcije bakterij, denimo celično delitev ali sintezo beljakovin. Toda nekatere bakterije, med njimi mogočna MRSA (methicillin-resistant Staphylococcus aureus, proti meticilinu odporni zlati stafilokok) in CRE (carbapenem-resistant Enterobacteriaceae, proti karbapenemu odporne enterobakterije), so z evolucijo razvile sposobnost skorajda popolne odpornosti proti obstoječim zdravilom.

Delovna skupina dr. Luja se je zato osredotočila na specifične gene, ki bakterijam omogočijo, da preživijo zdravljenje z antibiotiki. In »urejevalni sistem« bakterijskega genoma, s kratico poimenovan CRISPR, se je izkazal za sijajno orožje proti rezistenčnim genom.

CRISPR, ki so ga odkrili biologi med proučevanjem imunskega sistema bakterij, vsebuje vrsto beljakovin, ki jih bakterije uporabljajo za obrambo pred svojimi naravnimi sovražniki bakteriofagi – virusi, ki jih napadejo in okužijo. Ena teh beljakovin, deoksiribunukleinsko kislino cepljivi encim Cas9, se poveže s kratkim »vodniškim« odsekom RNK, ki encimu pove, kje natanko naj odreže DNK.

Skratka, v Lujevi delovni skupini so sklenili, da bodo lastno orožje bakterij obrnili proti njim samim. »Tarčna celica sprejme 'trojanskega konja' – plazmid DNK druge bakterije, v katerem je skrit CRISPR,« je postopek slikovito strnil profesor Lu.

Njegovi raziskovalci so sintetizirali posebne odseke RNK, ki »kažejo pot« k rezistenčnim genom bakterije, denimo k encimu NDM-1, ki bakteriji omogoča odpornost proti širokemu spektru betalaktamskih antibiotikov – veliki in najbolj razširjeni skupini antibiotikov, kamor spadajo penicilini (penami), cefalosporini (cefemi) in njihovi derivati (monobaktami in karbapenemi).

Gene, ki kodirajo encim NDM-1 in druge dejavnike odpornosti proti antibiotikom, ponavadi prenašajo plazmidi – večinoma krožne dvovijačne molekule DNK, sposobne samostojnega podvojevanja, ločeno od bakterijskega genoma. To jim seveda znatno olajšuje širjenje med različnimi populacijami bakterij.

Ko so raziskovalci sistem CRISPR uporabili za napad na encim NDM-1, jim je uspelo ciljno pomoriti več kot 99 odstotkov bakterij, ki vsebujejo ta encim, medtem ko so bili običajni antibiotiki proti tem bakterijam skorajda povsem nemočni. Podobno uspešen je bil visokotehnološki spopad z nekaterimi drugimi rezistenčnimi geni.

Poleg tega je študija dokazala, da je mogoče sistem CRISPR uporabiti tudi za selektivno izločanje specifičnih bakterij iz raznorodnih bakterijskih skupnosti, in sicer na podlagi njihovega genskega »podpisa«. To pa poleg učinkovitega spopada z mikrobi in okužbami odpira možnost za zdravljenje nekaterih presnovnih motenj, denimo čezmerne debelosti.

Iskanje »slabih« genov

Še eno učinkovito tehnološko orodje, s katerim so se člani skupine profesorja Luja lotili rezistentnih bakterij, pa so ob koncu poletja objavili v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences. Sistem, imenovan CombiGEM, jim je omogočil izjemno hitro in sistematično iskanje genskih kombinacij, ki pri bakterijah povzročijo večjo občutljivost na antibiotike.

Za ta preizkus so ustvarili »knjižnico« 34.000 parov bakterijskih genov, ki sodelujejo pri tvorbi tako imenovanih transkripcijskih faktorjev – beljakovin, potrebnih za začetek transkripcije (prepisovanja). Te beljakovine z vezavo na razpoznavni element DNK nadzirajo izražanje drugih genov. Vsak genski par domuje v enojnem delu DNK, ki vsebuje tudi šestbazno parno črtno kodo za sleherni gen. In prav na podlagi teh črtnih kod so raziskovalci hitro identificirali gene v vsakem paru, ne da bi morali prej sekvencionirati celoten odsek deoksiribonukleinske kisline.

»Med enim samim poskusom smo lahko pregledali in ocenili več milijonov genskih kombinacij ter določili tiste, ki so uspešne ali zelo uspešne,« pojasnjuje dr. Lu.

Člani njegove skupine so takšne genske pare vstavili v bakterije, odporne proti zdravilom, in jih nato izpostavili različnim antibiotikom. Za vsak antibiotik so določili natančno gensko kombinacijo, ki je njihovo učinkovitost v spopadu z bakterijami povečala za kar 10.000-krat do milijonkrat.

»Z novim tehnološkim orodjem nam je uspelo odkriti najzanimivejše in najobetavnejše kombinacije,« pripoveduje profesor Lu. »Zdaj pa moramo ugotoviti še to, po kakšnem mehanizmu delujejo.«

In prav od ugotovitve, kako natanko tovrstni geni vplivajo na odpornost bakterij proti antibiotikom, bo odvisno marsikaj. Med drugim bo potem mogoče izdelati zdravila, ki bodo bodisi posnemala prav tak učinek, v končni stopnji pa morda tovrstne gene uporabiti celo za neposredno zdravljenje – ko bo seveda odkrit varen in učinkovit način za njihov vnos v človeški organizem.

Z drugimi besedami, nova tehnologija bi ljudem lahko omogočila, da se pri njih odpornost na antibiotike sploh ne bi razvila. »Zdrav človek bi užival probiotične bakterije, z njimi pa bi v naravno bakterijsko populacijo v svojem telesu vnesel še umetni sistem CRISPR. Tako bi svojim bakterijam vnaprej onemogočil, da bi od drugih mikroorganizmov pridobile imunost proti antibiotikom. Skratka, vse skupaj si lahko predstavljamo kot nekakšno cepljenje – le da bi v tem primeru namesto človeka cepili njegove bakterije.«

Profesor Lu priznava, da se zdi takšna zamisel za zdaj še »malce radikalna«, toda že v nekoliko daljšem obdobju se utegne izkazati za povsem realno. »Kajti prišli smo do točke, ko lahko govorimo o pravi tehnološki oboroževalni tekmi med nami in bakterijami,« poudarja in opozarja dr. Lu.