Streszczenie

Bdellovibrio bacteriovorus to niewielka bakteria Gram-ujemna, której cechą charakterystyczną jest pasożytowanie na innych bakteriach Gram-ujemnych, w tym organizmach chorobotwórczych, takich jak Salmonella Typhimurium, Pseudomonas aeruginosa czy Helicobacter pylori. B. bacteriovorus, mimo niewielkich rozmiarów, ma stosunkowo duży genom (3,8 Mpz). Na genomie tej bakterii jest zakodowanych wiele proteaz i enzymów hydrolitycznych (około 150), które biorą udział w rozkładzie komórki gospodarza. B. bacteriovorus wykazuje dwufazowy cykl życiowy: w fazie ataku, wolno pływająca komórka drapieżnika aktywnie poszukuje swojej ofiary i przedostaje się do jej peryplazmy; w fazie wzrostu B. bacteriovorus degraduje makrocząsteczki komórki gospodarza z użyciem różnych enzymów hydrolitycznych, dostarczając niezbędnych składników do budowy własnych struktur komórkowych i wzrostu w postaci filamentarnej. Po wyczerpaniu się składników odżywczych gospodarza, filamentarna postać B. bacteriovorus ulega synchronicznej septacji i powstaje zwykle 3-6 komórek potomnych. Po wykształceniu rzęski, potomne komórki uwalniają się do środowiska w procesie lizy komórki gospodarza. Cykl życiowy B. bacteriovorus trwa zwykle 3-4 godziny.

Ze względu na drapieżny cykl życiowy B. bacteriovorus prowadzący do lizy komórki gospodarza, bakteria jest postrzegana jako „żywy antybiotyk”, który może być alternatywą dla obecnie stosowanych środków antybakteryjnych.

Wprowadzenie

Drapieżnictwo jest powszechnym sposobem odżywiania się wielu organizmów, w tym również bakterii. Pierwsze wzmianki o drapieżnym stylu życia tych mikroorganizmów pochodzą z obserwacji bakterii śluzowych (myksobakterii) [7]. W warunkach głodu wydzielają antybiotyki i enzymy hydrolityczne w celu zabicia i rozkładu bakterii znajdujących się w ich pobliżu [88]. Produkty rozkładu „ofiary” są wykorzystywane przez myksobakterie jako składniki odżywcze niezbędne do ich wzrostu i namnażania [8, 74]. Mikroorganizmy te nie są jednak obligatoryjnymi drapieżnikami, gdyż mając dostęp do składników odżywczych nie wymagają obecności innych bakterii.

Innym przykładem mikroorganizmów, które są drapieżnikami i do wzrostu i namnażania potrzebują innych bakterii są bakterie z rodzaju Bdellovibrio zwane w skrócie BALO (Bdellovibrio and like organisms).

Bakterie z grupy BALO

Bakterie z grupy BALO należą do klasy δ-proteobakterii i rodzin: Bdellovibrionaceae, Bacteriovoracaceae, Peredibacteraceae i Halobacteriovoraceae [32, 39] (tabela 1). Wśród nich można wyróżnić: Bdellovibrio bacteriovorus, Bdellovibrio exovorus, Bacteriovorax stolpii, Peredibacter starrii czy Halobacteriovorax marinus (dawniej Bacteriovoraxmarinus [39]), które występują w różnych środowiskach: w glebie, wodzie, a nawet w przewodach pokarmowych zwierząt i ludzi [30]. Cechą wspólną tych drapieżnych, tlenowych bakterii jest ich niewielki rozmiar (0,2-0,5 μm szerokości i 0,5-2,5 μm długości) oraz pałeczkowaty kształt. Wykazują unikalny, dwufazowy cykl życiowy, złożony z fazy ataku i wzrostu. Podczas fazy ataku, wolno pływające bakterie poszukują ofiary, a w fazie wzrostu, wydłużają się i ulegają podziałowi w peryplazmie ofiary. W tej klasie mikroorganizmów na szczególną uwagę, ze względu na istotne różnice w ich cyklu życiowym, zasługują Bdellovibrio bacteriovorus, Bdellovibrio exovorus i Halobacteriovorax marinus.

Przedstawicielem bakterii z grupy BALO jest B. bacteriovorus, odkryta przez Heinza Stolpa i Hansa Petzholda w 1962 r. [76, 77]. W jednym z prowadzonych przez H. Stolpa eksperymentów, który miał na celu izolację z gleby bakteriofagów swoistych dla Pseudomonas syringae (patogena roślin), badacz użył filtr o większej niż dotychczas średnicy porów (1,35 µm). Przez taki filtr mogą przechodzić nie tylko bakteriofagi, ale potencjalnie również większe organizmy. Płytki z wysianym filtratem pozostawiono w inkubatorze na kilka dni. Okazało się, że murawa bakterii P. syringae została miejscowo zlizowana, jednak tak długi czas oczekiwania na pojawienie się łysinek wykluczał obecność bakteriofagów. Analiza mikroskopowa wykazała, że przyczyną pojawienia się stref zahamowania wzrostu były małe, bardzo szybko poruszające się bakterie, które powodowały lizę komórek P. syringae. Nazwę Bdellovibrio bacteriovorus zaproponował Robert E. Buchanan, ze względu na pasożytniczy tryb życia tej bakterii (bdella z greckiego „pijawka”) oraz ich wygięty kształt (vibrio z łacińskiego „przecinkowiec”) [33].

Charakterystyka genomu B. bacteriovorus

Sekwencję nukleotydową genomu B. bacteriovorus opublikowano w 2004 r. [59]. Bakteria ta mimo niewielkich rozmiarów, ma genom o wielkości około 3,8 Mpz, w którym jest umiejscowionych 3584 otwartych ramek odczytu. Dla porównania, wielkość genomu E. coli, której komórka ma większy rozmiar i jest gospodarzem B. bacteriovorus, wynosi około 4,6 Mpz i zawiera 4464 otwartych ramek odczytu [9] (tabela 2). Chromosom B. bacteriovorus występuje w postaci kowalencyjnie zamkniętej cząsteczki. Umownym początkiem jej chromosomu jest gen dnaA, kodujący białko DnaA, które inicjuje proces replikacji chromosomu [59]. Region międzygenowy między dnaA a drugim w kolejności genem dnaN jest miejscem inicjacji replikacji chromosomu B. bacteriovorus (oriC, origin of chromosomal replication) [49]. Takie umiejscowienie regionu oriC jest charakterystyczne dla większości bakterii [56].

Ze względu na mały rozmiar komórki B. bacteriovorus jej chromosom musi być efektywnie upakowany, około 1000-krotnie. Nie jest znany mechanizm kondensacji DNA w komórce tej bakterii. Analiza sekwencji chromosomu B. bacteriovorus wykazała obecność homologów niektórych białek biorących udział w upakowaniu DNA u E. coli, takich jak HU [50], Fis [67] czy Muk B (homolog strukturalny SMC) [4], jednak ich funkcja w komórkach B. bacteriovorus nie została eksperymentalnie zweryfikowana. Nie ma natomiast homologów białek IHF [65], H-NS [2] i Lrp [86]. Nie wyklucza to jednak istnienia ich strukturalnych lub funkcjonalnych homologów lub obecności innych białek biorących udział w kondensacji chromosomu, dotychczas niewystępujących u innych bakterii. Tomografia krioelektronowa komórek B. bacteriovorus wykazała, że chromosom tej bakterii przyjmuje postać helikalną [10].

Podjednostki kodujące rybosomalny RNA (5S, 16S i 23S) u B. bacteriovorus są zorganizowane w dwa operony rRNA [59]. W biosyntezie jej białek bierze udział tylko 36 cząsteczek tRNA [59], to znacznie mniej niż w komórce E. coli, w której zidentyfikowano 86 cząsteczek tRNA [9] (tabela 2). B. bacteriovorus może syntezować tylko 11 z 20 aminokwasów niezbędnych do biosyntezy białek [59]. Z powodu braku pojedynczych bądź kilku enzymów w szlakach biosyntezy, B. bacteriovorus nie może syntezować alaniny, asparaginy, argininy, histydyny, izoleucyny, metioniny, fenyloalaniny, tryptofanu i waliny [59]. Podobna sytuacja występuje również w przypadku katabolizmu aminokwasów. Ze względu na brakujące enzymy w szlakach degradacji, tylko 10 aminokwasów budujących białka może być rozłożonych [59]. Brak niektórych aminokwasów syntezowanych de novo jest kompensowany przez produkty rozkładu białek komórki ofiary. Trawienie komórki gospodarza i wykorzystywanie powstających związków prostych do budowy własnych struktur komórkowych jest przystosowaniem się komórki B. bacteriovorus do jej drapieżnego cyklu życiowego, podczas którego dochodzi do wzrostu w peryplazmie innej bakterii.

W genomie B. bacteriovorus kodowanych jest 150 proteaz, co stanowi aż 4% wszystkich białek [59]. Dla porównania, komórka E. coli koduje tylko 74 proteazy (2% wszystkich białek) [19] (tabela 2). Suma wszystkich genów kodujących enzymy hydrolityczne B. bacteriovorus wynosi 293 (8% wszystkich otwartych ramek odczytu) [59]. Tak duża liczba enzymów jest naturalnym przystosowaniem B. bacteriovorus do jej drapieżnego cyklu życiowego, który obejmuje hydrolizę peptydoglikanu i inwazję peryplazmy komórki gospodarza, a także degradację zawartości komórki w celu pozyskiwania składników odżywczych.

Geny o nieznanej funkcji stanowią aż 47% otwartych ramek odczytu chromosomu B. bacteriovorus (1684 genów) [59]. Można się zatem spodziewać, że wiele z tych genów koduje białka o nieznanych dotąd funkcjach, które działają w nieopisany dotychczas sposób. Ich stopniowe poznawanie może dostarczyć informacji m.in. o nowych sposobach syntezy bądź degradacji aminokwasów oraz kondensacji chromosomu w komórce bakteryjnej, a także wielu innych, nieopisanych jeszcze procesów zachodzących w komórce bakteryjnej. Na przykład, w E. coli, najlepiej zbadanej komórce bakteryjnej, tylko 24% genów (1071 otwartych ramek odczytu) nie ma przypisanej funkcji i są opisane w bazach danych jako białka hipotetyczne [34] (tabela 2).

* Piśmiennictwo [59]** Piśmiennictwo [9]*** Geny na chromosomie B. bacteriovorus kodujące homologi białek; funkcja niepotwierdzona eksperymentalnie.

Cykl życiowy B. bacteriovorus

Cykl życiowy drapieżnej bakterii z rodzaju Bdellovibrio został najlepiej poznany na przykładzie B. bacteriovorus. Bakteria namnaża się w peryplazmie innych bakterii Gram-ujemnych, ale sporadycznie (w wyniku mutacji w obrębie chromosomu) może wzrastać i dzielić się niezależnie od komórki gospodarza.

Cykl zależny od komórki gospodarza

Szczep B. bacteriovorus zależny od komórki gospodarza (HD, host-dependent) wymaga do rozmnażania obecności innej bakterii Gram-ujemnej [73]. Mogą być to zarówno bakterie chorobotwórcze, jak i niechorobotwórcze. Potwierdzono, że B. bacteriovorus może się namnażać w takich patogenach jak Helicobacter pylori i Campylobacter jejuni [52], Pseudomonas aeruginosa [31], Salmonella [3] czy Fusobacterium nucleatum i Aggregatibacter actinomycetemcomitans (wchodzące w skład mikrobiomu jamy ustnej) [47]. Kompletny cykl życiowy B. bacteriovorus, od chwili przyłączenia się do komórki ofiary do uwolnienia komórek potomnych, trwa około 3-4 godzin i jest najlepiej poznany u E. coli, jako gospodarza (ryc. 1, 1-8 kolejne etapy cyklu).

Pojedyncze komórki bakterii

Wolno pływająca komórka B. bacteriovorus ma pojedynczą rzęskę, dzięki której może się poruszać z prędkością nawet do 160 µm/s, czyli w ciągu 1 s bakteria może pokonać około 100 długości swojej komórki [43]. W poszukiwaniu gospodarza B. bacteriovorus wykorzystuje zjawisko chemotaksji. Niewiele jednak wiadomo na temat chemicznej natury bodźca, na który odpowiadają komórki drapieżnika. Wykazano, że B. bacteriovorus porusza się w kierunku większego zagęszczenia komórek gospodarza [78] lub dużego stężenia aminokwasów [40]. Najnowsze badania sugerują, że rolę w tym procesie odgrywać może białko MCP2 (methyl-accepting chemotaxis protein 2), które wpływa na białka motoryczne rzęski powodując ukierunkowany ruch komórki [44].

Przyłączenie do komórki gospodarza i inwazja

Początkowo komórka drapieżnika przyłącza się do komórki gospodarza w sposób odwracalny [79], po czym dochodzi do nieodwracalnego połączenia obu komórek. Wówczas komórka B. bacteriovorus, wykorzystując glikozydazy i peptydazy, tworzy por w ścianie komórkowej i błonie zewnętrznej komórki gospodarza [81], przez który następuje inwazja drapieżnika do peryplazmy atakowanej komórki. B. bacteriovorus w swoisty sposób broni się przed degradacją własnej ściany komórkowej. Bakteria wytwarza białko Bd3460 (zawierające 6 motywów ankirynowych, obecnych często w białkach wewnątrzkomórkowych patogenów organizmów eukariotycznych), które łącząc się z endopeptydazami Bd0816 i Bd3459 hamuje ich aktywność [41]. Delecja genu kodującego białko Bd3460 zmienia kształt komórki B. bacteriovorus na okrągłą, uniemożliwiając proces inwazji do wnętrza komórki swojej ofiary. Proces wnikania komórki B. bacteriovorus do komórki gospodarza zajmuje około 10 min [18], ważną rolę odgrywają pile komórkowe typu IVa zlokalizowane na przeciwległym w stosunku do rzęski biegunie komórki B. bacteriovorus [1, 21, 72]. Pilusy te charakteryzują się zmienną długością i stosunkowo dużą elastycznością [14]. Pełnią różnorodne funkcje w komórce bakteryjnej, są odpowiedzialne m.in. za adhezję do komórki gospodarza [13], umożliwienie ruchu drgającego [54] czy pobieranie zewnątrzkomórkowego DNA [13]. Pile typu IVa są niezbędne dla B. bacteriovorus w procesie infekcji komórki gospodarza [21, 55], a także przypuszcza się, że są zaangażowane w przejście drapieżnika przez ścianę komórkową do peryplazmy swojej „ofiary”, jednak hipoteza ta wymaga eksperymentalnego zweryfikowania [75]. W odróżnieniu od pilusów, rzęska nie bierze udziału w przechodzeniu do wnętrza komórki ofiary i nie jest do tego procesu wymagana [43].

Adaptacja w peryplazmie komórki gospodarza

Po infekcji B. bacteriovorus umiejscawia się w peryplazmie komórki gospodarza; rzęska B. bacteriovorus przeważnie zostaje odłączona w chwili wejścia do peryplazmy ofiary [43]. Integralność komórki gospodarza zostaje utrzymana przez uszczelnienie poru, przez który nastąpiło wejście.

Na tym etapie procesy życiowe gospodarza są zahamowane, prawdopodobnie w wyniku zaburzenia potencjału błonowego [61]. Drapieżnik modyfikuje strukturę peptydoglikanu komórki gospodarza (przez N-deacetylację) usuwając kwas diaminopimelinowy i dołączając długie łańcuchy kwasów tłuszczowych [81, 82, 83]. Modyfikacja powoduje zmianę kształtu komórki gospodarza z pałeczkowatej (u E. coli) na okrągłą. Okrągła komórka gospodarza wraz z komórką drapieżnika w jej peryplazmie nazywana jest bdelloplastem (ryc. 1). Badania sugerują, że endopeptydazy Bd0816 i Bd3459 odgrywają ważną rolę w procesie zmiany kształtu komórki gospodarza [46]. Podwójny mutant delecyjny (Δbd0816Δbd3549) wykazywał dużo mniejszą skuteczność inwazji komórki gospodarza, a także w mniejszym stopniu zmieniał jej kształt w porównaniu do szczepu dzikiego. Zmiana morfologii komórki gospodarza (po adaptacji B. bacteriovorus w jej peryplazmie) uniemożliwia innym komórkom drapieżnika ponowną infekcję tej samej komórki, choć sporadycznie pojawiają się także infekcje dwoma komórkami B. bacteriovorus [25]. W przypadku zaburzenia zdolności B. bacteriovorus do zmiany kształtu komórki swojego gospodarza, liczba podwójnych infekcji znacząco wzrasta [46]. Wejście drapieżnika do przestrzeni peryplazmatycznej ofiary kończy fazę ataku.

Ryc. 1. Cykl życiowy B. bacteriovorus. Podane czasy są czasami orientacyjnymi. Opis kolejnych etapów znajduje się w tekście

Filamentarny wzrost w bdelloplaście

Po przystosowaniu się komórki B. bacteriovorus do warunków panujących w peryplazmie gospodarza rozpoczyna się faza wzrostu. W fazie tej, B. bacteriovorus, z użyciem zestawu enzymów hydrolitycznych kodowanych na chromosomie [59], degraduje makrocząsteczki komórki gospodarza i wykorzystuje powstające związki proste do budowania własnych struktur komórkowych. Najlepiej zbadanym przykładem degradacji złożonych struktur komórkowych przez B. bacteriovorus i włączania je we własne struktury jest rozkład kwasów nukleinowych i asymilacja nukleotydów [28, 53, 62, 63]. Większość związków azotowych potrzebnych do syntezy de novo DNA i RNA B. bacteriovorus pochodzi z rozkładu komórki ofiary. Nukleotydy budujące DNA drapieżnika pochodzą również z hydrolizy DNA i RNA komórki gospodarza i są pobierane przez komórkę B. bacteriovorus w ufosforylowanej postaci, jednak mechanizm tego zjawiska nie jest dokładnie poznany [63].

Co ważne, replikacji chromosomu pojedynczej komórki B. bacteriovorus nie towarzyszy powstanie przegrody podziałowej. Komórka wydłuża się tworząc filament, który zawiera nawet do 9 kopii chromosomu [22].

W tej fazie wzrostu ekspresji ulega 479 genów (analiza mikromacierzy i sekwencjonowanie transkryptomu) [35, 42]. Geny te są związane z podstawowymi procesami komórkowymi, tj. replikacją DNA, podziałem komórkowym, biosyntezą białek.

Uważa się, że B. bacteriovorus degraduje makrocząsteczki komórki gospodarza wydzielając enzymy hydrolityczne do cytoplazmy ofiary na zasadzie sekrecji [64]. Nieznany pozostaje wciąż mechanizm transportu składników odżywczych do komórki B. bacteriovorus. Jeden z proponowanych mechanizmów zakłada dyfuzję prostych jednostek budulcowych (powstałych w wyniku działania hydrolaz) komórki gospodarza do jej peryplazmy, skąd są pobierane przez komórkę drapieżnika. Następstwem tego jest zmniejszanie się objętości cytoplazmy, przy jednoczesnym zwiększeniu objętości peryplazmy, ułatwiając B. bacteriovorus jej filamentarny wzrost. Wykazano, że komórka drapieżnika wbudowuje białka typu poryn w błonę cytoplazmatyczną gospodarza [6], co także zdaje się potwierdzać mechanizm transportu składników odżywczych na zasadzie dyfuzji.

Septacja i wykształcenie rzęski

Po wyczerpaniu się składników odżywczych komórki gospodarza, filamentarna postać B. bacteriovorus ulega procesowi synchronicznej septacji tworząc jednocenne komórki potomne [20]. Sygnał molekularny aktywujący proces septacji, jak również jej mechanizm nie zostały dotąd poznane. Segregacja chromosomów do potomnych komórek odbywa się tuż przed podziałem filamentu B. bacteriovorus. W genomie tej bakterii znajdują się geny homologów białek zaangażowanych w proces podziału komórkowego (mreB, mbl, ftsZ) i segregacji chromosomu (parA i parB) [59]. Pojedyncza infekcja komórki E. coli powoduje powstanie 2-9 potomnych komórek B. bacteriovorus [22]. Liczba powstających komórek potomnych wydaje się skorelowana z wielkością komórki gospodarza, a więc z długością wytworzonej filamentarnej struktury drapieżnika [36]. Potomne komórki B. bacteriovorus przed lizą komórki gospodarza zostają zaopatrzone w rzęskę. Komórki nieurzęsione nie są w stanie wywołać lizy komórki swojej ofiary [22].

Liza komórki gospodarza

Po wykształceniu rzęski, potomne komórki B. bacteriovorus uwalniają się do środowiska w procesie lizy komórki gospodarza. Potomne komórki B. bacteriovorus wydostają się z bdelloplastu tworząc jeden (88%) lub dwa (12%) niewielkie otwory w jego błonie komórkowej [22]. Czas w jakim bdelloplast zostaje zlizowany jest odwrotnie proporcjonalny do liczby komórek potomnych w jego wnętrzu, czyli im większa liczba komórek potomnych, tym krótszy czas potrzebny do ich uwolnienia [22]. Nowo powstałe, uwolnione komórki B. bacteriovorus są nieznacznie mniejsze od dojrzałych postaci [22]. Przed zaatakowaniem nowej komórki gospodarza muszą osiągnąć odpowiednią wielkość.

Cykl niezależny od komórki gospodarza

Oprócz proliferacji w komórce gospodarza, B. bacteriovorus może się namnażać w hodowli aksenicznej (tzw. szczep niezależny od gospodarza, HI, host-independent; ryc. 3) [69, 84]. Szacuje się, że 1 na 107 komórek drapieżnika z cyklu zależnego od gospodarza może wejść w cykl niezależny od gospodarza, jeśli w podłożu dostępny jest odpowiedni poziom aminokwasów i kofaktorów [80]. Za przejście komórki B. bacteriovorus w tryb wzrostu bez udziału komórki gospodarza jest odpowiedzialna mutacja (delecja jednego lub 42 nukleotydów) w krótkiej otwartej ramce odczytu nazwanej hit (host-interaction locus) [80]. Region hit znajduje się w obrębie genów bd0108 i bd0109. Gen bd0109 koduje białko zaangażowane w tworzenie pilusów typu IVb, natomiast gen bd0108 białko o nieznanej funkcji [59]. Obecny model regulacji przejścia między cyklami życia B. bacteriovorus (HD i HI) opiera się na hipotezie, że kompleks białek Bd0108 i Bd0109 pełni w tym procesie funkcję regulacyjną [11]. Bd0108 jest białkiem unikalnym, niewykazującym podobieństwa, na poziomie sekwencji aminokwasowych, do żadnej znanej rodziny białek. Natomiast Bd0109 zawiera potencjalną domenę RHS (recombination hot spot) [11]; białka z tą domeną regulują u bakterii m.in. tworzenie pilusów komórkowych [89]. Wykazano, że kompleks tych białek promuje wysunięcie jej pilusów oraz reguluje ich długość [11]. Delecja jednego z genów białek tego kompleksu promuje przejście w cykl niezależny gospodarza [11].

W cyklu życiowym B. bacteriovorus niezależnym od komórki gospodarza, podobnie jak w cyklu zależnym od gospodarza, komórka wydłuża się jako filament (ryc. 1), z którego w wyniku septacji powstają komórki potomne (ryc. 2) [29]. Część powstałych komórek ma kształt i rozmiar podobny do komórek z fazy ataku w cyklu zależnym od gospodarza, część ma kształt serpentyny i jest wyraźnie dłuższa. Ten polimorficzny fenotyp komórek wraz z różnym zapotrzebowaniem na składniki odżywcze sprawia, że badania nad tego typu komórkami są trudne do interpretacji [69].

Ryc. 2. Cykle życiowe B. bacteriovorus. Przy odpowiednio wysokim poziomie składników odżywczych 1 na 107 komórek drapieżnika z cyklu zależnego od komórek gospodarza ulega spontanicznej mutacji w regionie hit i przechodzi w cykl niezależny od komórek gospodarza. W cyklu tym komórki wykazują polimorficzny fenotyp i rosną w postaci biofilmu bakteryjnego

Inni przedstawiciele grupy BALO

Oprócz intensywnie badanej i najlepiej opisanej, modelowej bakterii z grupy BALO – B. bacteriovorus, na uwagę zasługują również inni przedstawiciele tej grupy: Halobacteriovorax marinus i Bdellovibrio exovorus.

H. marinus (dawniej Bacteriovorax marinus [39]) żyje w słonych wodach morskich. Jej gospodarzem jest patogenna bakteria Vibrio parahaemolyticus wywołująca zatrucia pokarmowe, m.in. intensywnie odwadniające biegunki [24]. W odróżnieniu od innych bakterii z grupy BALO zamieszkujących wody słodkie, H. marinus do wzrostu wymaga ponad 0,5% stężenia chlorku sodu. Charakteryzuje się też mniejszą w stosunku do pozostałych przedstawicieli, zawartością par GC, która wynosi około 37% GC [15, 51], w porównaniu do 50% GC pozostałej grupy [68]. Bakterie te są również mniejsze od innych przedstawicieli tej grupy – mają bowiem długość 0,6-1,0 μm [15].

Większość bakterii z grupy BALO rozmnaża się w peryplazmie komórki swojego gospodarza. Wyjątkiem jest B. exovorus, która jest epibiontem i rozmnaża się zewnątrzkomórkowo [38]. Jest to mała (0,5 µm szerokości, 0,5-1,4 µm długości), pałeczkowata bakteria, która do wzrostu wymaga osiadłej komórki Caulobacter crescentus (ryc. 3) [38, 57]. B. exovorus nie wnika do peryplazmy C. crescentus, przyczepia się do jej komórki i pozostaje w takiej pozycji aż do podziału na komórki potomne. Wykorzystując system sekrecyjny trawi komórkę gospodarza i z produktów rozkładu buduje własne struktury komórkowe [57]. W chwili wyczerpania się składników odżywczych komórki C. crescentus, filament B. exovorus ulega podziałowi na dwie komórki potomne zdolne do rozpoczęcia nowego cyklu życiowego (ryc. 4). Ponieważ B. exovorus nie namnaża się w peryplazmie osiadłej komórki C. crescentus, nie powstaje charakterystyczny dla bakterii z grupy BALO bdelloplast (ryc. 2) [38, 57].

Ryc. 3. Cykl życiowy bakterii Bdellovibrio exovorus z osiadłą komórką Caulobacter crescentus jako gospodarzem. Opis poszczególnych etapów znajduje się w tekście

Bakterie z grupy BALO a bakteriofagi

Bakterie z grupy BALO, ze względu na swój cykl życiowy, wykazują pewne podobieństwo do bakteriofagów. Co więcej, wykazano, że wraz z bakteriofagami są zdolne do atakowania tych samych komórek bakterii w procesie koinfekcji [12]. Molekularne podstawy tego zjawiska nie są jeszcze poznane.

B. bacteriovorus może być również komórką-gospodarzem dla niektórych rodzajów bakteriofagów (tzw. bdellofagi) [27, 85]. Dotyczy to obu typów komórek drapieżnika – namnażających się w cyklu zależnym jak i niezależnym od gospodarza [85]. Co ważne, niektóre bdellofagi do namnażania wymagają zarówno obecności komórek B. bacteriovorus, jak i gospodarza, np. E. coli. Są to tzw. układy potrójne (three-membered system) [85]. W chwili przyłączenia się bdellofaga do komórki B. bacteriovorus traci ona ruchliwość i jest niezdolna do adhezji do komórki E. coli. Jednak kiedy bakteriofag infekuje komórkę B. bacteriovorus przyłączoną już do komórki gospodarza, penetracja drapieżnika do przestrzeni peryplazmatycznej komórki ofiary nie jest zaburzona. Bdellofagi przekazują swój materiał genetyczny komórkom Bdelloviobrio tuż przed ich inwazją do komórki E. coli [37]. W bdelloplaście zawierającym komórkę B. bacteriovorus zainfekowaną bdellofagiem zaburzony jest wzrost i podział komórki drapieżnika. Namnożone fagi lizują komórkę B. bacteriovorus uwalniając się do przestrzeni peryplazmatycznej E. coli [37]. Tak powstały sferoplast E. coli zapada się i odbywa się jego liza, powodując uwolnienie potomnych cząsteczek faga do środowiska [37].

Podsumowanie – potencjalne zastosowanie bakterii z grupy BALO

B. bacteriovorus, podobnie jak inne bakterie z grupy BALO charakteryzuje się nietypowym cyklem życiowym, prowadzącym do lizy komórki swojego gospodarza. Ze względu na coraz częstsze pojawianie się szczepów bakterii lekoopornych, badania nad mikroorganizmami z grupy BALO przeżywają swoisty renesans. Intensywne badania kolejnych etapów ich cyklu życiowego, szczególnie mechanizmu rozpoznawania i przyłączania się drapieżnika do komórki gospodarza, zbliżają nas do zastosowania bakterii z grupy BALO jako środków przeciwbakteryjnych w przemyśle, weterynarii czy medycynie.

BALO mogą być wykorzystywane w przemyśle spożywczym. Zatrucia pokarmowe spowodowane spożyciem krewetek, są najczęściej wywołane przez bakterie Vibrio parahaemolyticus. Drapieżniki z grupy BALO mogą aktywnie walczyć z tymi patogenami rozmnażając się w ich peryplazmie, co kończy się lizą ich komórek i zahamowaniem wzrostu V. parahaemolyticus [60]. Podejmowane są też próby wykorzystania BALO do zwalczania zakażeń Salmonella enterica spp. w pofiletowanej, słodkowodnej rybie – tilapii [48] czy Pseudomonas tolaasii zakażającej pieczarki (brązowy nalot na kapeluszu grzyba) [66]. Zaobserwowano, że bakterie Bdellovibrio mogą także znacząco obniżyć liczebność wolno rosnących komórek E. coli O157:H7 oraz Salmonella spp., a także bakterii rosnących w postaci biofilmu, na powierzchniach ze stali nierdzewnej, sugerując ich potencjalne zastosowanie do czyszczenia przyrządów kuchennych w gastronomii [23].

W związku z tym, że bakterie z grupy BALO wykazują szeroki zakres działania na bakterie Gram-ujemne [16], mogą być wykorzystywane w procesie samooczyszczania się wody w przydomowych oczyszczalniach ścieków [45]. Wykazano również, że B. bacteriovorus przez działanie na bakterie siarkowe hamuje korozję stali rurociągowej [58].

Badania interakcji B. bacteriovorus z bakteriami chorobotwórczymi w warunkach in vivo są prowadzone (jak na razie) na modelach zwierzęcych. Wykazano, że bakteria ta znacząco zmniejsza liczbę komórek Salmonella w jelitach kurcząt po podaniu komórek drapieżnika per os [47]. W przypadku Klebsiella pneumoniae, po podaniu drogą wziewną, B. bacteriovorus atenuuje chorobotwórczą bakterię w szczurzych płucach. Jest również skuteczna w infekcji oczu u bydła [70, 71]. Wykorzystując model rybi (larwy Danio rerio) zbadano również wpływ B. bacteriovorus na bakterie Shigella flexneri powodujące u ludzi czerwonkę [87]. Procent przeżycia larw rybek zainfekowanych S. felxneri, którym podano B. bacteriovorus był znacząco wyższy niż w grupie kontrolnej.

Wstępne badania wykazały, że B. bacteriovorus są nieszkodliwe dla człowieka [26]. Jak dotąd, nie opisano żadnej choroby, która byłaby związana z jej obecnością. Co więcej, wykazano obecność B. bacteriovorus w jelitach zdrowych dzieci [30], jednak podobnych badań nie przeprowadzono w grupie osób dorosłych.

Dotychczasowe wyniki wskazują na potencjalne wykorzystanie w przyszłości B. bacteriovorus jako „naturalnego antybiotyku” i środka przeciwbakteryjnego nie tylko w przemyśle, ale również w weterynarii i medycynie.

Podziękowania

Dziękujemy Damianowi Trojanowskiemu i Tomaszowi Łebkowskiemu za krytyczne uwagi podczas przygotowywania manuskryptu.

Pełna treść artykułu