Czy mikrobiom jelitowy choruje przez wirusy?
Liczne wirusy są utrapieniem ludzkości, lecz również bakterie nie zawsze żyją z tymi tworami w komitywie. Istnieją wirusy atakujące i niszczące bakterie. Zwane są bakteriofagami. Nie rozpoznano jeszcze jakie jest kryterium „wyboru” danej bakterii przez takiego wirusa, lecz wysunięto kilka propozycji, jakby to mogło wyglądać. Wiadomo natomiast, że bakteria broni się przed atakami wirusowymi i opisano sposoby tej obrony.
Trudno wyobrazić sobie bakterie, które z bólem głowy i termometrem w ustach kładą się do łóżka, żeby przechorować przeziębienie. Bakterie to nie ludzie zmagający się z rozmaitymi schorzeniami, lecz i tym mikroorganizmom nieobce jest pewne zagrożenie. Przykładowo naszemu mikrobiomowi jelitowemu, a więc bakteriom zamieszkującym nasze jelita zdarza się chorować, choć jest to oczywiście nieco inne chorowanie niż w przypadku ludzi.
Nie tylko bakterie bytują sobie w naszych jelitach. „Społeczność” zamieszkująca tę część naszego układu pokarmowego jest o wiele bardziej zróżnicowana. Różnym gatunkom i szczepom bakterii towarzyszą grzyby, archeony oraz oczywiście wirusy. Tym ostatnim warto się przyjrzeć bliżej.
Bakteriofagi to wyjątkowe wirusy, które za cel obierają sobie bakterie, a więc i „pracowników” zamieszkujących nasze jelita. Oczywiście taki bakteriofag nie musi być tylko podstępnym sabotażystą, zaburzającym funkcjonowanie naszego organizmu, poprzez atakowanie bakterii komensalnych. Wirus może zaatakować bakterię patogenną i tym samym ochronić nas przed niewątpliwie nieprzyjemnymi skutkami. Jednak koniec końców jakaś bakteria na ataku bakteriofaga ucierpi, bez względu czy będzie to korzystne dla naszego zdrowia czy nie. Istnieją jednak badania sugerujące, że działania wirusów mogą mieć dla nas nieprzyjemny efekt.
W tym momencie warto przybliżyć pojęcie dysbiozy. Jest to zaburzenie ilości, składu i funkcji mikroflory jelitowej. Biorąc pod uwagę jak dużą rolę w homeostazie naszego organizmu odgrywa jej poprawne działanie, można się łatwo domyślić, że taki stan prowadzi do nieprzyjemnych, a nawet groźnych konsekwencji dla człowieka. Ale jak to się dzieje, że do dysbiozy dochodzi? Badanie wiromu i zależności między nim, a mikrobiomem to wciąż raczkująca dziedzina nauki, jednak wysunięto kilka hipotez jak wirusy mogą oddziaływać na bakterie w jelicie.
Pierwszy model takiego odziaływania zwany jest „Kill the Winner”. Zakłada on, że wirusy atakują te bakterie komensalne, które dominują w jelitach, zmniejszając ich liczebność. Byłoby to logiczne. Duża ilość mikroorganizmów danego gatunku jest równoznaczna z większym prawdopodobieństwem, że to akurat one staną się celem fagów. Interakcje między różnymi tworami w naszym układzie pokarmowym to jednak nie prosty rachunek prawdopodobieństwa, a skomplikowany system zależności, więc niewiele badań potwierdza ten model. Są i takie, które mu zaprzeczają. Możliwe, że dalsze eksperymenty w tej dziedzinie wykażą iż, w zależności od różnych czynników, zjawisko takie czasem zachodzi, a czasem nie.
Dosyć prawdopodobnym mechanizmem wydaje się również być inny model nazwany „Biological Weapon”. Według niego mikroorganizmy wykorzystują fagi dla własnych korzyści. Niosą je jako broń przeciwko konkurującym bakteriom i tym doprowadzają do dysbiozy. Jak można się domyślić, model taki mógłby być przyjazny człowiekowi, gdyby dochodziło do unicestwienia bakterii patogennych pojawiających się w układzie pokarmowym. W tym przypadku, tak jak i w poprzednim modelu, niewiele jest badań go potwierdzających. Miał jednak miejsce pewien eksperyment dotyczący szczepów Enterococcus faecalis. U myszy germ-free, zarażonych tylko tymi bakteriami, zaobserwowano krótkotrwałą przewagę w ilości bakterii „taszczących” w sobie profagi (wbudowany w ich DNA materiał genetyczny bakteriofagów) nad bakteriami ze szczepu wrażliwego na atak tych wirusów. To kolejny przypadek, w którym czas i kolejne badania zweryfikują postawioną hipotezę.
Istnieje też trzeci model – „Community Shuffling”, który sugeruje, że stresory środowiskowe np. terapia antybiotykowa, stres oksydacyjny lub stan zapalny, wywołują wprowadzenie do bakterii fagów, co skutkuje infekcją lityczną bakterii symbiotycznych, zmieniając skład mikrobiomu (1).
Bez względu na to, która z tych hipotez okaże się prawdziwa, bakteriofagi zagrażają bakteriom. I tak jak człowiek może zapobiegać chorobom poprzez różne działania profilaktyczne, tak i bakterie nie pozostają bierne w momencie ataku i robią co mogą, by uniknąć infekcji. My korzystamy ze środków higieny osobistej i specyfików odkażających, aby usunąć patogeny z różnych powierzchni. Bakterie natomiast, aby zapobiec adsorpcji faga, mogą zmienić ekspresję genów kodujących receptory, do których przyłącza się taki wirus. Możliwa jest również zmiana białek warstwy S (część otoczki komórki) albo wytworzenie ochronnych polisacharydów na powierzchni komórki, co można porównać do bariery ochronnej naszej skóry. Wszystko to uniemożliwia (albo przynajmniej znacząco utrudnia) wirusowi dostanie się do komórki (2).
Ponadto bakterie tworzą pęcherzyki błony zewnętrznej, w których bakteriofagi zostają związane i oddzielone od otoczenia, a dzięki temu ich liczba w danym środowisku się zmniejsza. Wraz ze spadkiem ich liczby maleje więc ryzyko infekcji. Przypomina to nieco umycie rąk przed posiłkiem, aby patogeny nie dostały się „do środka” (3).
A co, jeśli taki wirus już wprowadzi swój materiał genetyczny do komórki? Czy taka bakteria nie ma już innego wyjścia jak od razu „położyć się do grobu”? Oczywiście, że nie. W razie infekcji istnieje możliwość „wyleczenia się”. W przeciwieństwie do ludzi, którzy w trakcie choroby wprowadzają do organizmu substancje mające zniszczyć patogeny, bakterie same wytwarzają swoje „leki”. Mowa tu o enzymach - endonukleazach restrykcyjnych. Tną one DNA faga na drobne części, pozbawiając go możliwości wyrządzenia szkód. Oczywiście uważna osoba zwróci uwagę na fakt, że bakteria również DNA posiada; jakim cudem więc nie dochodzi tu do „samobójstwa”? Odpowiedź jest prosta: jej DNA zostaje zmetylowane, jakby oznaczone napisem: „Endonukleazom wstęp wzbroniony”.
Po uważniejszym przyjrzeniu się zależnościom pomiędzy wirusami a naszym mikrobiomem jelitowym możemy stwierdzić, że bakterie zarówno chorują przez bakteriofagi, jak i przed tym chorowaniem się chronią. I chociaż między człowiekiem a bakterią istnieje więcej różnic niż podobieństw to choroby takie oraz ich „profilaktykę i leczenie” możemy przyrównać do metod, które sami stosujemy, by zachować nasz organizm w zdrowiu.
Źródła:
1. Mukhopadhya I, Segal JP, Carding SR, Hart AL, Hold GL. The gut virome : the ‘ missing link ’ between gut bacteria and host immunity ? 2019;(Box 1):1–17.
2. Sutton TDS, Hill C. Gut Bacteriophage: Current Understanding and Challenges. Front Endocrinol (Lausanne). 2019;10(November):1–18.
3. Mechanizm J, Infekcje P. SEKRECJA PĘCHERZYKÓW BŁONOWYCH. 2017;316–25.
Artykuł powstał w ramach programu MNiSW „Mistrzowie dydaktyki” w czasie zajęć tutoringowych we współpracy między p. Anną Adamek, studentką II roku biotechnologii i dr. Sławomirem Sułowiczem na Wydziale Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Projekt jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.
