Što novo saznajemo o zloglasnoj bakteriji E. coli?

Zloglasna bakterija Escherichia coli je najpoznatija po tome što ljude čini bolesnima, no znanstvenici su reprogramirali mikrob – koji također dolazi i u bezopasnim verzijama – kako bi on mogao pronaći i potom se boriti s drugim patogenima koji uzrokuju bolesti.

Izvještaj znanstvenika, objavljen u časopisu ACS Synthetic Biology, opisuje razvoj novog tipa E. coli koji čak može uništiti sluzave grupe bakterija poznate pod nazivom biofilm (grupa bakterija unutar gustog i sluzavog omotača, formiranog od šećera i proteina, koji ove bakterije štiti od vanjskih utjecaja), a koje su odgovorne za mnoge teško izlječive infekcije, poput onih koje se zbivaju u plućima, mjehuru i na implantiranim medicinskim uređajima.

Matthew Wook Chang i njegovi kolege objasnili su da se biofilmske infekcije teško liječe zato što je bakterija skrivena ispod zaštitne barijere šećera, DNA i proteina. Ta zaštita ih čini veoma otpornima na konvencionalne terapije koje se primjenjuju. Također, pretjerana uporaba antibiotika u medicini i poljoprivredi učinila je neke bakterije, poput MRSA-e (Methicilin- resistant Staphylococcus aureus, odnosno zlatni stafilokok koji je otporan na meticilin, antibiotik iz skupine penicilina, naziv je za sve vrste zlatnog stafilokoka koje su otporne na široki spektar antibiotika), otporne na poznate tretmane, uzrokujući oboljenje u najmanje dva milijuna Amerikanaca svake godine.

Ova rastuća prijetnja javnom zdravstvu motivirala je znanstvenike da istraže nove antibiotike i alternativne tretmane u borbi protiv spomenutih infekcija. U prošlosti, znanstvenici su stvorili bakterije koje se bore protiv drugih mikroba, no i to je imalo određena ograničenja. Changova grupa riješila je ova ograničenja kroz stvaranje nove vrste bakterije koja može uočiti infekciju, krenuti prema njoj i uništiti mikrobe koji izazivaju oboljenje.

Reprogramirali su E. coli da uoči Pseudomonas aeruginosu (P. aeruginosa je vrlo rasprostranjena gram-negativna, pokretna, štapićasta bakterija iz reda Pseudomonas) – bakteriju koja može stvoriti biofilm i uzrokovati bolničke infekcije u plućima i crijevima. Nova E. coli potom kreće, odnosno pliva, izravno prema P. aeruginosi koju zatim napada antimikrobnim peptidom i enzimom koji uništavaju biofilm. Iako su ovu stvorenu bakteriju uspješno testirali u borbi protiv P. aeruginosi, znanstvenici kažu da se njihova strategija inženjeringa bakterija može također koristiti i protiv drugih patogena.

Escherichia coli, otkrivena 1885. godine od strane austrijskog pedijatra i bakteriologa Theodora Eschericha, dio je velike porodice bakterija, Enterobacteriaceae, crijevnih bakterija, koje su fakultativno anaerobni gram-negativni štapići koji žive u probavnom traktu ljudi i životinja.

Probavni trak većine toplokrvnih životinja kolonizira se bakterijom E. coli u periodu od nekoliko sati ili tjedana od rođenja. U slučaju ljudi, spomenuta bakterija unosi se u organizam unutar 40 sati od rođenja kroz hranu, vodu ili izravno preko drugih pojedinaca koji dolaze u kontakt s novorođenčetom, pri čemu se, nakon ulaska u probavni trakt, bakterija hvata za sluz koja prekriva debelo crijevo. Također, čini se da većina ljudi u crijevima ima više od jedne vrste E. coli i intestinalne vrste zamjenjuju jedna drugu otprilike tri ili četiri puta godišnje.

Većina vrsta E. colibakterije su bezopasne i imaju veoma bitnu ulogu kao sastavni dio zdravog probavnog trakta u ljudskom tijelu, dok, s druge strane, postoje i već spomenuti patogeni E. coli, odnosno serotipovi, koje uzrokuju dijareju i druga oboljenja u probavnom traktu, ali i izvan njega.

Patogeni E. coli mogu kod ljudi izazvati:
-- gastrointestinalne infekcije poput dijareje, hemolitičko-uremičkog sindroma, gastroenteritisa, peritonitisa i sl.

-- infekcije urinarnog trakta pri čemu je UPEC (Uropatogena E. coli) uzročnik 90% infekcija koje se zbivaju u urinarnom traktu kod pojedinaca s uobičajenom anatomijom

-- neonatalni meningitis gdje je uzročnik serotip E. coli bakterije koji sadrži kapsularni antigen pod nazivom K1

Također, u kontekstu nastanka raka, valja spomenuti da postoji nekoliko tipova E. coli koji sadrže“genomski otok“ čija je funkcija enkodiranje multi-enzimskog mehanizma koji proizvodi genotoksičnu supstanciju pod nazivom colibactin. Colibactin, pretpostavlja se, utječe na odgovor imunološkog sustava čovjeka i ima utjecaj na razvoj raka, oštećujući DNK te tako potičući tumorogenezu.

Korištenje E. coli u proizvodnji goriva
Bakterija E. coli uglavnom je poznata kao zarazna tvar u hrani, no zadnja istraživanja koja je proveo tim znanstvenika iz Južne Koreje ukazuju na novo razumijevanje u primjeni ove bakterije; oni su je uspješno transformirali u benzin.

Osnovna komponenta konvencionalnog benzina su aciklički zasićeni ugljikovodici zvani alkani, koji se stvaraju vezanjem ugljikovih i vodikovih atoma. Prema dužini molekularnih lanaca definira se je li gorivo benzin, u slučaju kraćih lanaca, ili dizel, koji je formiran od dužih molekularnih lanaca alkana.

Prethodni napori u kontekstu metaboličkog inženjeringa rezultirali su pretvorbom E. coli bakterije u gorivo nalik na dizel, no do sada nije bilo uspješne proizvodnje kratkolančanih alkana koji mogu funkcionirati kao benzin.

Veliki iskorak napravljen u ovom istraživanju, prema profesoru Sang Yup Leeju s Naprednog instituta znanosti i tehnologije Koreja (KAIST – Korea Advanced Institute of Science and Technology), jest to što su, po prvi puta, znanstvenici bio-inženjeringom stvorili “obilaznicu“ u pretvorbi ulja koja proizvodi E. coli bakterija izravno u benzin.

„Važnost ovog otkrića je u tome što nije potrebno koristiti drugi zasebni proces kako bi se izvelo krekiranje ulja stvorenog bakterijom E. coli za proizvodnju benzina. Uspjeli smo u pretvorbi glukoze ili otpadne biomase izravno u benzin“, kaže Lee.

Leejev tim je koristio modificiranu E. coli bakteriju i hranio je glukozom, što je zauzvrat rezultiralo time da je bakterija proizvela enzim koji može pretvoriti šećer u masne kiseline, a one se potom transformiraju u alkane ugljikovodike s istim kemijskim i strukturnim integritetom kao oni koji se nalaze u konvencionalnom benzinu.

Istraživanje, objavljeno u časopisu Nature, slavi se kao velik znanstveni iskorak, iako, naravno, nije za očekivati da ćemo vrlo skoro kupovati E. coli benzin. Naime, u laboratoriju su uspjeli stvoriti tek 580 mg benzina od jedne litre glukozne kulture.

„Naš sljedeći cilj je stvaranje tri grama benzina po litri po satu i onda podizanje na 10 ili čak 20 grama i tek tada će to biti konkurentno,“ govori Lee. „Do toga je još dalek put.“

Lee je rekao kako se njegov cijeli tim nada da će njihov rad poslužiti kao temelj za buduća istraživanja u metaboličkom inženjeringu mikroorganizama za proizvodnju goriva iz obnovljivih izvora.

Izvor: American Chemical Society, Natural World News, Online Textbook of Bacteriology