Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Słysząc frazę „system efflux” wyobrażamy sobie coś złożonego, trudnego do zrozumienia. Dlatego swoje rozważania o ich istotności dla życia mikroorganizmów zacznę od opisania czym one są. Pompy efflux są białkami, które znajdują się w błonie komórkowej. Przechodzą one przez nią na wylot, tworząc w niej swego rodzaju kanał. Taka budowa pozwala im spełniać swoją funkcję, czyli usuwać z komórki substancje, które jej zagrażają. Oczywiście nie polega to na tym, że substancje bez żadnej kontroli wypływają sobie z wnętrza komórki. Aby zostały one usunięte niezbędne jest źródło energii np. ATP lub gradient stężenie protonów.

Jednym z czynników usuwanych z komórki na drodze zjawiska efflux są antybiotyki. Mechanizm wypompowywania jest zależny od budowy osłon komórkowych, a te różnią się w zależności od przynależności bakterii do grupy bakterii Gram-dodatnich lub Gram-ujemnych. Różnicą w tym wypadku jest rodzina, do której należą białka transportujące.

U bakterii Gram-dodatnich rozróżniamy 3 rodziny tych białek – MF, ABC i SMR. Różnią się one pomiędzy sobą wielkością oraz źródłem energii pozwalającym na transport aktywny. Białka transportujące, należące do rodziny MF znaleziono między innymi u Staphylococcus aureus. Białko NorA jest kodowane przez geny znajdujące się w chromosomie bakteryjnym i odpowiada za oporność na fluorochinolony. Transporter ten działa na zasadzie antyportu, czyli wyrzutu antybiotyku z jednoczesnym napływem jonów wodorowych do wnętrza komórki.

Białka transportujące z rodziny ABC znaleziono u Lactoccocus lactis. Noszą one nazwę LmrA i jako źródło energii wykorzystują ATP. Hydroliza ATP wywołuje zmiany układu przestrzennego transportera umożliwiając tym samym usunięcie antybiotyku. Białka LmrA warunkują oporność na chroamfenikol oraz antybiotyki MLS.

Rodzina SMR jest dość słabo poznana jeśli chodzi o antybiotykooporność. Białko SMR znaleziono u gronkowca Staphylococcus aureus i stwierdzono, że działa ono na zasadzie antyportu wymieniając lek na proton. Nadal jednak trwają badania nad opornością, którą warunkuje ta rodzina białek.

U bakterii Gram-ujemnych również spotykamy wyżej omówione systemy usuwania antybiotyków, jednak są one mniej znaczące. Najważniejsze i charakterystyczne dla omawianej grupy bakterii są transportery z rodziny RND. Są to pompy wielolekowe, przyjmujące formę trójczęściowego kompleksu. Pierwsza część to białko transporterowe znajdujące się w błonie cytoplazmatycznej. Druga część to białko peryplazmatyczne, które łączy błonę cytoplazmatyczną i zewnętrzną. Ostatnia część to białkowy kanał w błonie zewnętrznej. Jak łatwo zauważyć budowa rodziny transporterów RND jest skorelowana z budową osłon komórek bakterii Gram-ujemnych. Tak zbudowany system usuwania antybiotyków zlokalizowano u Escherichia coli. System ArcAB-TolC odpowiada za usuwanie z komórki antybiotyków takich jak chloramfenikol, czy β- laktamy. Lek wiąże się z charakterystyczną dla siebie domeną białka ArcB, czyli białka transporterowego w błonie cytoplazmatycznej. Po przejściu przez tą błonę, na zasadzie wymiany z jonami H+, przenoszona substancja jest przekazywana na białko peryplazmatyczne ArcA, a następnie na białko TolC. To białko z kolei, pełniące funkcję kanału w błonie zewnętrznej wchodzi w interakcję z substratem. Efektem tego jest krótkotrwałe otwarcie kanału i wyrzucenie antybiotyku na zewnątrz komórki. Podobnie działający mechanizm stwierdzono także u Pseudomonas aeruginosa oraz Klebsiella pneumoniae.

System efflux nie ogranicza się tylko do antybiotykooporności, może także warunkować oporność na metale ciężkie. Ponownie za przykład posłużyć może Staphylococcus aureus, czyli przedstawiciel bakterii Gram-dodatnich, posiadający mechanizm CadA,. Białko CadA warunkuje oporność na jony Cd2+ i Zn2+, używając jako źródła energii ATP. Jon metalu przyłącza się do CadA, dzięki czemu następuje przyłączenie grupy fosforanowej do białka. Powoduje zmianę jego kształtu i usunięcie jonu. U bakterii Gram-ujemnych mechanizm jest nieco inny, jednak jest analogiczny do usuwania antybiotyków przez tą grupę bakterii. Tutaj przykładem może będzie E.coli i wykryty u niej system CusCFBA odpowiadający za oporność na jony Cu+ . Składa się z białka CusF, które wiąże jony miedzi oraz kompleksu CusCBA. Kompleks ten charakteryzuje się podobną do transporterów z rodziny RND budową oraz zasadą działania.

Mechanizm aktywnego wyrzutu jest także ściśle powiązany z ochroną komórki przed działaniem substancji czynnych związków dezynfekujących. W determinowaniu tej oporności również biorą udział transportery z rodzin omawianych powyżej, a mechanizm ulega modyfikacjom w zależności o tego czy bakteria jest Gram-dodatnia czy Gram-ujemna. S.aureus dzięki obecności białek transportujących z rodziny SMR jest oporny na czwartorzędowe sole amonowe.

Ciekawym zagadnieniem związanym z opornością na środki dezynfekcyjne jest mechanizm występujący u E.coli. U tych bakterii za usuwanie związków fenolowych, np. triklosanu odpowiada ten sam system, który usuwa antybiotyki, czyli ArcAB-TolC. Jest to dowodem na to, że są to pompy wielosubstratowe, wykazujące powinowactwo zarówno do antybiotyków jak i do substancji czynnych w środkach dezynfekcyjnych. Ta właściwość może powodować poważne utrudnienia w tępieniu tego rodzaju szczepów.

Na tym nie kończą się przykłady substancji, które są usuwane przez pompy efflux. Należy jednak zwrócić uwagę, dlaczego powodowana przez nie oporność powinna być tematem dyskusji, a wiedza na jej temat stale powiększana. Często słyszy się, że antybiotykooporne bakterie są sporym zagrożeniem, ale nigdy nie jest do końca wytłumaczone dlaczego. W głównej mierze chodzi o ich tępienie. Przykładowo, pojawia się bakteria, która nauczyła się radzić sobie z danym antybiotykiem, który wcześniej był dla niej szkodliwy. Trzeba więc znaleźć inny lek, który będzie na nią dział. Wcale nie jest jednak powiedziane, że mikroorganizm nie wykształci kolejnych mechanizmów oporności w odpowiedzi na zmianę „środowiska”. Tak tworzy się zamknięte koło, które wkrótce doprowadza do tego, że wachlarz możliwych do użycia antybiotyków się kończy, a bakteria nadal żyje. Co więcej, może ona powodować zakażenia lub choroby, których wyleczenie jest bardzo trudne, bo owej bakterii nic już nie szkodzi. Podobnie wygląda to w kontekście oporności na środki dezynfekcyjne.

Jak widać po omówionych przykładach system efflux nie tylko charakteryzuje się mnogością substratów, które przenosi, ale także pokaźną ilością rodzin tych transporterów. Niewątpliwie daje to ogromne możliwości ochronne bakteriom, a nam przysparza wiele problemów. Przykładem może być część tych białek, która nie wykazuje ścisłej swoistości substratowej. Może zatem transportować substancje należące do różnych grup związków chemicznych. Z jednej strony jest to imponujące, że tak niewielkie organizmy jak bakterie tak dobrze radzą sobie z niesprzyjającymi warunkami. Nie dajmy się jednak zwieść tej „wspaniałości” pamiętając o zagrożeniach jakie ona dla nas niesie.

Bibliografia:

1. Jarmuła, A., Obłąk, E., Wawrzycka, D. & Gutowicz, J. Efflux-mediated antimicrobial multidrug resistance. Postepy Hig. Med. Dosw. (Online) 65, 216–27 (2011).

2. Blanco, P. et al. Bacterial Multidrug Efflux Pumps: Much More Than Antibiotic Resistance Determinants. Microorganisms 4, 1–19 (2016).

3. Krysta, K., Sulowicz, S. & Piotrowska-Seget, Z. Białkowe systemy eksportu warunkujące oporność bakterii na antybiotyki. Postępy Biol. Komórki 38, 297–312 (2011).

4. Oleńska, E. & Małek, W. Mechanizmy oporności bakterii na metale ciężkie. Postep. Mikrobiol. 52, 363–371 (2013).

5. Chojecka, A., Jakubiec, K. & Kanclerski, K. Znaczenie zjawiska efflux jako mechanizmu oporności bakterii na substancje czynne środków dezynfekcyjnych. 39–44 (2012).

 

Artykuł powstał w ramach programu MNiSW „Mistrzowie dydaktyki” w czasie zajęć tutoringowych we współpracy między p. Karoliną Badurą, studentką II roku biotechnologii i dr Sławomirem Sułowiczem na Wydziale Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Projekt jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego.