Να αλλάξουν τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τον φυσικό μας κόσμο επιχείρησαν σε πρόσφατη μελέτη τους ερευνητές, καθώς καλλιέργησαν για πρώτη φορά μικροοργανισμούς, χρησιμοποιώντας μια διαφορετική προσέγγιση.
Η ζωή στον πλανήτη μας χαρακτηρίζεται από την κυρίαρχη παρουσία των μικροοργανισμών, των οργανισμών δηλαδή που παρά το μικροσκοπικό μέγεθός τους επηρεάζουν με πολλούς και διαφορετικούς τρόπους τον φυσικό μας κόσμο. Παρόλα αυτά η συντριπτική πλειοψηφία δεν έχει απομονωθεί και καλλιεργηθεί στο εργαστήριο. Με μια καινοτόμα ερευνητική προσέγγιση, οι επιστήμονες επιδιώκουν να χαράξουν έναν νέο δρόμο ώστε να έρθει στο φως ένας αόρατος, μέχρι τώρα, κόσμος.
Μικροσκοπικοί οργανισμοί με τεράστια σημασία
Οι μικροοργανισμοί, οι οργανισμοί δηλαδή, που δεν είναι ορατοί με γυμνό μάτι, βρίσκονται παντού γύρω μας αλλά και μέσα μας και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε αναρίθμητες βιολογικές διαδικασίες. Έχουν εποικίσει τη γη, ακόμα και στα πιο αφιλόξενα για τη ζωή μέρη της, όπως είναι οι θερμοπηγές, τα ηφαίστεια, τα μεγάλα βάθη των ωκεανών και οι πολικές περιοχές. Μάλιστα εμφανίστηκαν στη γη πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, πολύ πριν εμφανιστούν οι πιο πολύπλοκες μορφές ζωής, δηλαδή τα ζώα και τα φυτά. Ο κόσμος των μικροβίων παρουσιάζει εξαιρετική ποικιλομορφία και περιλαμβάνει τα βακτήρια, τους μύκητες, τα αρχαία, τα πρωτόζωα και τους ιούς.
Οι μικροοργανισμοί έχουν μεγάλη επίδραση στην ιστορία του πλανήτη μας και επηρεάζουν τον άνθρωπο με πολλούς τρόπους, άλλοτε επωφελείς κι άλλοτε επιβλαβείς. Ορισμένα αποικοδομούν τη νεκρή οργανική ύλη και συντελούν στην ανακύκλωση των συστατικών της, άλλα είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με την διατροφή μας ή την παραγωγή ενέργειας, ενώ κάποια ευθύνονται για πληθώρα ασθενειών που πλήττουν τα έμβια όντα, συμπεριλαμβανομένου και τον άνθρωπο.
Η μυστηριώδης «σκοτεινή ύλη» της βιολογίας
Παρά τη μεγάλη επίδρασή τους στους υπόλοιπους οργανισμούς, ένα μικρό μόνο μέρος από αυτά έχουν κατορθώσει οι επιστήμονες να απομονώσουν και να καλλιεργήσουν στο εργαστήριο. Υπολογίζεται ότι λιγότερο από 1% των βακτηριακών ειδών έχει καλλιεργηθεί στο εργαστήριο, παρά την αξιοσημείωτη πρόοδο της επιστημονικής κοινότητας στην μικροβιολογία. Ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές είναι η αδυναμία να προσδιορίσουν τις ακριβείς συνθήκες υπό τις οποίες ζουν, αναπτύσσονται και πολλαπλασιάζονται οι προς μελέτη μικροοργανισμοί, προκειμένου να τις προσομοιάσουν στο εργαστήριο. Ένα ακόμα εμπόδιο αποτελεί η δυσκολία να απομονώσουν κύτταρα ενός συγκεκριμένου είδους καθώς αυτά σχηματίζουν κοινότητες και αλληλεπιδρούν με πολλά διαφορετικά είδη μικροοργανισμών.
Τις τελευταίες δεκαετίες, η ανάπτυξη τεχνικών γενετικής και μοριακής βιολογίας επιτρέψαν την απευθείας απομόνωση και ανάλυση του γενετικού υλικού από κοινότητες μικροβίων. Με τα εργαλεία αυτά εντοπίστηκε DNA μικροβίων από πολλά και διαφορετικά περιβάλλοντα, από διάφορες περιοχές της γης μέχρι και το ανθρώπινο σώμα. Γνωρίζοντας όμως μόνο τις αλληλουχίες DNA μπορούν να γίνουν μόνο προβλέψεις σχετικά με την δομή και τη λειτουργία των διάφορων μικροοργανισμών. Προκειμένου να ελεγχθούν αυτές οι προβλέψεις και να μελετηθούν σε βάθος οι μικροοργανισμοί, είναι απαραίτητη η απομόνωση και η καλλιέργειά τους σε μεγάλες ποσότητες στο εργαστήριο.
Μια διαφορετική ερευνητική προσέγγιση με σημαντικά αποτελέσματα
Αυτός ήταν ο σκοπός της Karissa Cross και της ερευνητικής της ομάδας. Οι επιστήμονες επιχείρησαν να καλλιεργήσουν για πρώτη φορά τα βακτήρια του γένους Saccharibacteria. Τα βακτήρια αυτά εντοπίζονται σε διάφορα μέρη της γης, στο έδαφος και στο θαλασσινό νερό αλλά και στη στοματική κοιλότητα του ανθρώπου, σε μικρό όμως ποσοστό σε σχέση με τους υπόλοιπους μικροοργανισμούς και για αυτό το λόγο η απομόνωση και η καλλιέργειά τους αποτελεί δύσκολο εγχείρημα. Αυξημένες αποικίες από αυτά τα βακτήρια έχουν σχετιστεί με παθολογικές καταστάσεις, όπως η περιοδοντίτιδα και η φλεγμονώδης νόσος του εντέρου.
Οι ερευνητές αρχικά συνέλλεξαν υγρά από την στοματική κοιλότητα υγιών ατόμων και ατόμων με περιοδοντίτιδα. Αξιοποιώντας τη διαθέσιμη γνώση σχετικά με το γενετικό υλικό των βακτηρίων Saccharibacteria και χρησιμοποιώντας εργαλεία βιοπληροφορικής, υπέθεσαν την δομή των πρωτεϊνών που θα έφεραν αυτοί στην επιφάνεια των κυττάρων τους. Οι πρωτεΐνες αυτές έχουν περιοχές που εντοπίζονται μόνο στα συγκεκριμένα βακτήρια. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν ποντίκια για να φτιάξουν αντισώματα που δεσμεύονταν ειδικά στις υποτιθέμενες αυτές πρωτεΐνες, εκμεταλλευόμενοι την ικανότητα του ανοσοποιητικού συστήματος των ζώων να παράγει αντισώματα που δεσμεύονται σε πρωτεΐνες της επιφάνειας κυττάρων-στόχων. Τα αντισώματα απομονώθηκαν από τα ζώα και σημάνθηκαν με φθορίζουσες χρωστικές. Στη συνέχεια αναμείχθηκαν με τα δείγματα από την στοματική κοιλότητα. Στο σημείο αυτό τα σημασμένα αντισώματα προσδέθηκαν στις πρωτεΐνες της επιφάνειας των κυττάρων των βακτηρίων Saccharibacteria. Έτσι μπόρεσαν να «ψαρέψουν» τους επιθυμητούς οργανισμούς από το σύνολο των μικροοργανισμών που βρίσκονταν εκεί. Έπειτα δοκίμασαν διάφορες καλλιεργητικές μεθόδους και υλικά και εν τέλει κατόρθωσαν να τους καλλιεργήσουν στο εργαστήριο.
Οι δυνατότητες και οι προκλήσεις των ερευνητών
Η μέθοδος που ανέπτυξαν οι ερευνητές χαρακτηρίστηκε ως προσέγγιση «αντίστροφης γενωμικής» διότι βασίστηκε σε διαθέσιμη γνώση σχετικά με το γενετικό υλικό των υπό μελέτη βακτηρίων προκειμένου να προβλεφθούν πρωτεΐνες που φέρουν στην επιφάνειά τους και να παραχθούν αντισώματα ειδικά για αυτές. Παρά την επιτυχή εφαρμογή της για τα βακτήρια Saccharibacteria η μέθοδος έχει περιορισμούς, που σχετίζονται με την επιλογή των υποτιθέμενων πρωτεϊνών για την παραγωγή αντισωμάτων. Οι πρωτεΐνες που επιλέγονται μπορεί να υπάρχουν σε μικρές ποσότητες στα κύτταρα και να είναι δύσκολο να ανιχνευτούν. Μια άλλη πρόκληση για τους ερευνητές είναι η επιλογή των καταλληλότερων συνθηκών και μέσων καλλιέργειας προκειμένου να πολλαπλασιαστούν επιτυχώς οι μικροοργανισμοί.
Παρά τους όποιους περιορισμούς και δυσκολίες, σύμφωνα με τους ερευνητές, η συγκεκριμένη προσέγγιση θα μπορεί εν δυνάμει να εφαρμοστεί για την απομόνωση και καλλιέργεια οποιουδήποτε μικροοργανισμού και επομένως να αναδειχθεί σε πολύτιμο εργαλείο για την κατανόηση της δομής και της λειτουργίας χιλιάδων μικροοργανισμών.
Ενδεικτική βιβλιογραφία:
1. Cross, K.L., et al., Targeted isolation and cultivation of uncultivated bacteria by reverse genomics. Nat Biotechnol, 2019
2. Lloyd, K.G., et al., Phylogenetically Novel Uncultured Microbial Cells Dominate Earth Microbiomes. mSystems, 2018
3. Steen, A.D., Crits - Christoph, A., Carini, P. et al. High proportions of bacteria and archaea across most biomes remain uncultured. ISME J, 2019
Μαρία Τσίπη
