Látky vytvářené bakteriemi v Antarktidě se mohou stát alternativou antibiotik

Každý rok zemře celosvětově na infekce, včetně těch způsobených vysoce odolnými bakteriemi, u kterých selhává antibiotická léčba, pět milionů pacientů a do roku 2050 se toto číslo může až zdvojnásobit. Proto se na výzkum nových antimikrobiálních látek soustředí velká pozornost nejen vědců, ale také farmaceutických firem. Mezi jedny z nejslibnějších patří bakteriociny – látky bílkovinné povahy, které vytvářejí samy bakterie. O tom, jak tyto látky fungují, jak a proč vznikají, jaký mají potenciál v lékařství a proč probíhal výzkum zrovna v Antarktidě, jsme hovořili s RNDr. Kateřinou Snopkovou, Ph.D., z Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, která získala Cenu Wernera von Siemense za první místo v kategorii Nejlepší disertační práce a zároveň Uznání poroty za vynikající kvalitu ženské vědecké práce za práci s názvem Genomika bakteriocinogenních gammaproteobakterií a analýza nově popsaných bakteriocinů.

Jak vás napadlo přihlásit se do této soutěže? Je ve vašich kruzích populární?

Cena Wernera von Siemense má velkou prestiž i v netechnických, tedy v přírodovědných oborech. Věděla jsem o ní, protože se do ní již přihlašovali někteří kolegové přede mnou. Zajímalo mě, jestli moje práce obstojí v tak velké konkurenci. Říkala jsem si, že to zkusím, a při nejhorším mě nevyberou. A vyšlo to.

Bylo hlavní motivací vaší práce nalézt alternativu k běžně používaným antibiotikům? V současnosti se ukazuje jako velký problém získaná rezistence vůči účinkování antibiotik v důsledku jejich nadužívání a také kvůli jejich všudypřítomnosti v životním prostředí. Cílila jste na tento problém?

Ano, přesně tak. Zásadní problém je v tom, že na všechna antibiotika, které máme k dispozici, časem vznikne rezistence, což znamená, že přestávají být schopné zabíjet bakterie. A naopak. Zkušenost ukazuje, že pokud nějaká antibiotika delší dobu nepoužíváme, a tedy nekolují v prostředí, množství rezistentních bakterií na toto konkrétní antibiotikum opět klesne. Proto se vracejí do oběhu antibiotika, která se již řadu let nepoužívala, a naopak, jiná se šetří jako tzv. zásobní pro velmi těžké případy spojené s multirezistentními bakteriemi, kde by běžná antibiotika už nezabírala. Hlavním cílem našeho výzkumu je pomoci v boji proti této antibiotické rezistenci. Není to ale tak, že by naše řešení antibiotika nahrazovalo. Antibiotika mají svoje opodstatnění a význam a žádný alternativní přístup, ať již jsou to bakteriociny, kterým jsem se věnovala já, anebo jiné zkoumané látky, nemohou rezistenci zcela zastavit. Rezistence (ztráta citlivosti) vzniká ke všem látkám, k antibiotikům, k bakteriocinům i dalším. Jde tedy především o to rozšířit skupinu léčiv, která máme k dispozici. Bakteriociny mají svoje opodstatnění ve chvíli, kdy pacient trpí infekci způsobenou jednoznačně určeným patogenem. V tu chvíli by bylo ideální mít možnost sáhnout k alternativní léčbě a antibiotika ušetřit. Navíc, konkrétně bakteriociny účinkují na výrazně užší spektrum bakterií, to znamená, že cílí mnohem přesněji a jejich použití nezpůsobuje výraznější poškození mikrobiomu.

Máte na mysli to, co známe všichni, že při používání antibiotik je dobré užívat také probiotika?

Ano, ale bohužel to není tak jednoduché, jak to vypadá. O tom, že je mikrobiom lidského těla nesmírně důležitý, se už dnes dobře ví. Mikrobiom ve střevech je něco jako náš „druhý mozek“ – ovlivňuje naši náladu, zdravotní stav, zkoumá se jeho vliv na obezitu, různá neurodegenerativní onemocnění, a dokonce i na poruchy učení nebo chování apod. Jeho význam je jednoznačně obrovský, ale dosud ještě ne plně probádaný. Každé použití perorálních antibiotik znamená velký zásah do tohoto mikrobiomu, což pochopitelně není žádoucí. Studie ukazují, že efekt účinku antibiotik na mikrobiom lze dosledovat i měsíce po jejich dobrání. Navíc, při časté léčbě antibiotiky si ve střevech vytváříme vlastní zásobárnu rezistentních bakterií, která nás může ohrozit v budoucnu. Podávání probiotik při antibiotické léčbě je samozřejmě vhodné, ale nemusí být dostatečnou pomocí.

Bakteriociny tedy představují jednu z možných alternativ k antibiotické terapii s téměř nulovými vedlejšími účinky. Je to tak?

Ano, ale musíme mít stále na paměti jejich limity. To, že bakteriociny zabíjejí jen konkrétní bakterii, je samozřejmě výhoda i nevýhoda. Výhoda je to ve chvíli, kdy přesně víme, co danému pacientovi je. Typickým příkladem jsou dlouhodobé nebo opakované infekce, kdy víme přesně, na co máme pacienta léčit. Pokud si ale nejsme jisti, která bakterie způsobuje infekci, použití antibiotik je nenahraditelné.

Hovoříme tu o bakteriocinech, ale ještě jsme nevysvětlili, co to vlastně je.

Bakteriociny jsou poměrně různorodá skupina látek produkovaná samotnými bakteriemi. Jejich základní charakteristika je, že to jsou látky bílkovinné povahy a že zabíjejí jen blízce příbuzné bakterie. Tyto látky jsou produkovány prakticky všemi bakteriemi, které známe. K dispozici jich tedy máme celkem dost. Ani bakteriocinový výzkum není žádnou novinkou, probíhá již několik desetiletí, nicméně dosud se orientoval převážně na dobře charakterizované laboratorní druhy, jako je například Escherichia coli. To je modelová bakterie, na které se provádí valná část výzkumu bakterií. U escherichií je velmi detailně prostudováno, jaké bakteriociny produkují, na které bakterie účinkují a jakým způsobem. My se ale soustředíme na studium bakterií z prostředí. A u studovaných bakteriocinů nacházíme zajímavé vlastnosti. Např. „naše“ antarktické bakteriociny, jež zůstávají aktivní i při nízké teplotě, čehož se dá prakticky využít.

Zmínila jste Antarktidu, k té se hned dostaneme. Před tím mi ale ještě prosím vysvětlete, k čemu v přírodě bakteriociny jsou?

K čemu jsou, se vlastně pořád ještě neví. Výzkum v této oblasti se ubírá dvěma směry. Jednu část výzkumu lze nazvat popisnou, zaměřuje se na to, jak molekula bakteriocinu vypadá, jak účinkuje, které kmeny ji produkují apod. Zcela jiný směr výzkumu se zabývá rolí bakteriocinů v dynamice mikrobiálních společenstev. A tam má naše poznání ještě mezery. Ví se, že v každé populaci existuje určitá rovnováha mezi producenty bakteriocinů, bakteriemi, které jsou vůči tomu bakteriocinu citlivé, a bakteriemi, které jsou vůči němu rezistentní. Tato rovnováha je přirovnávána k dětské hře kámen-nůžky-papír a je v dané populaci dlouhodobě udržována. Gen pro produkci bakteriocinu je pro svého nositele zátěží, protože musí vynaložit energii na to, aby tento gen předával budoucím generacím. Tzn. že tyto bakterie (v dětské hře kámen) jsou znevýhodněné oproti citlivým bakteriím, které tento gen nenesou (nůžky). Ty však podstupují riziko, že budou bakteriocinem zahubeny. Zdálo by se, že nejlepší pozici mají bakterie, které jsou vůči bakteriocinu rezistentní (papír). Vzhledem k tomu, že bakteriociny parazitují na receptorech pro životně důležité látky, tyto „papírové“ bakterie ale rostou pomaleji a mohou být vytlačeny dvěma předchozími skupinami. Tato rovnováha byla popsána u více druhů, takže se dá předpokládat, že to bude univerzálnější princip. Proč to tak je, se ale přesně neví. Ví se samozřejmě, že bakterie produkují nejen bakteriociny, ale i jiné toxiny, aby se ochránily a aby získaly ekologickou výhodu – i mezi bakteriemi probíhá souboj o prostor a o živiny. Jenže bakteriociny se často uvolňují až v okamžiku, kdy buňka praskne. To znamená, že bakterie musí sama sebe zabít, aby ho uvolnila do prostředí. Obětuje sebe sama pro blaho populace. Na populace bakterií tedy musíme nahlížet jako na kooperující společenstva, v rámci kterých probíhá komunikace, přestože pro nás stále ještě ne zcela známým způsobem.

Už jste se dotkla toho, že jste vzorky pro svoji oceněnou disertační práci sbírala v Antarktidě. Sama jste tento fakt označila za nejzajímavější moment své disertační práce. Proč právě v Antarktidě?

Pobytem v Antarktidě se mi podařilo zúročit všechny výzkumné směry, kterým jsem se do té doby věnovala. Masarykova univerzita provozuje polární stanici a část jejího osazenstva byla vybírána na základě kvality podaného vědeckého projektu. A já jsem uspěla s projektem na detekci nových antimikrobiálních látek produkovaných antarktickými bakteriemi. Spojila jsem v něm svůj postgraduální výzkum bakteriocinů a zkušenosti z diplomové práce, ve které jsem se zabývala pseudomonádami. To jsou vysoce přizpůsobivé bakterie, jež se běžně vyskytují v prostředí. Ovšem některé pseudomonády jsou také vysoce odolné patogeny lidí, zvířat i rostlin, jež často odolávají nejen antibiotikům, ale i některým dezinfekčním prostředkům. Já jsem v rámci diplomové práce studovala multirezistentní nemocniční kmeny, u kterých bohužel velmi často selhává antibiotická léčba a infekce končí úmrtím pacienta. A pseudomonády jsou natolik přizpůsobivé, že se vyskytují velmi hojně i v Antarktidě a tyto antarktické druhy mohou produkovat bakteriociny, které ničí i nemocniční kmeny pseudomonád. Na polární stanici jsem strávila šest týdnů, ale samotná expedice trvala tři měsíce, zbytek času zabrala náročná logistika na stanici. Sbírala jsem tam vzorky půdy a vody, ve kterých jsme hledali pseudomonády, jež produkovaly bakteriociny s aktivitou namířenou proti „nemocničním pseudomonádám“. Sekvenovali jsme jejich genom a snažili se určit, který gen je zodpovědný za produkci bakteriocinu. V současnosti máme vytipované čtyři nejzajímavější kmeny, na které dále soustředíme náš výzkum.

Je to náročné, strávit šest týdnů v Antarktidě?

Má to svá specifika, ale pro mě nebyl pobyt na stanici nic, co by se nedalo zvládnout. Člověk přijede na místo, kde je teplo, jídlo a místo na spaní, a to je vlastně všechno, co potřebuje. Taky je tam normální kuchyň, pračka. Dokonce tam teče teplá voda, sice ne neomezeně, ale teče, takže se člověk může jednou za pár dní vysprchovat. Na to, na jak odlehlém místě se nachází, je to naprostý luxus. Taky se na stanici vyskytujeme přes antarktické léto, takže počasí není tak extrémní jako v jiných částech roku. Samozřejmě ale platí, že co si tam člověk nedoveze, to tam nemá. Také například lékařská péče je daleko. Co se týká fyzické aktivity, práce v terénu je tam pochopitelně rovněž náročnější a člověk musí být opatrný. Nejsou tam žádné vyšlapané stezky, často se chodí třeba přes suťová pole, po ledovcích, samozřejmě s jištěním, a také jsou některá výzkumná stanoviště relativně daleko. Člověk tam běžně nachodil za den i 40 km. Pár dní jsme také strávili pod stanem, protože lokalita byla příliš daleko na to, aby se tam dalo chodit každý den pěšky. Určitě je to trochu výzva, na druhou stranu si ale myslím, že běžně zdatný člověk to se správnou motivací bez problému zvládne.

Přivezla jste si z Antarktidy také nějaká nová témata, na kterých byste ráda pracovala a která by vás motivovala se tam třeba ještě jednou vydat?

Antarktida poskytuje nespočet zajímavých témat z nejrůznějších oblastí včetně mikrobiologie. Například antropogenní znečištění. Člověk, který přijede do Antarktidy, si s sebou vždy přiváží i vlastní bakterie, z nichž některé dokážou v tamním prostředí přežít a kolonizovat ho. Mohou se tak šířit geny rezistence, to znamená, že vznikají i nové rezistentní bakterie. To je jedna z největších nočních můr posledních necivilizovaných míst na Zemi. Vůbec i samotné studium mikrobiálních společenstev v Antarktidě je velice zajímavé. Vlastně se dosud ani moc neví, co tam fakticky žije. Mikroorganismy v Antarktidě se systematicky mapují pomocí nových nekultivačních metod teprve posledních 10–15 let a stále jsme na začátku. To platí i pro různé viry, mikroskopické houby apod. Určitě je tam tedy hodně co dělat a určitě bych se tam ráda podívala znova.

Mimo záznam jste mi vyprávěla o velké spolupráci s kolegy z jiných oborů, která se odehrávala během vašeho pobytu v Antarktidě. Jak se díváte na diverzitu vědeckých týmů?

Interdisciplinární spolupráce je velmi obohacující, a co se týče rolí mužů a žen, tak moje zkušenost je, že je jejich pohled na vědecký výzkum jiný. Když to vezmeme čistě genderově a odhlédneme od otázky mateřství, což je téma samo o sobě, tak muži jsou ze své podstaty extrémně orientovaní na výkon. Zároveň ale potřebují ženy, které jsou naopak víc kolaborující. Je to o vyvažování obou těchto rovin. Vůbec nechci rozebírat, co z toho je lepší nebo kdo má větší předpoklady pro vědeckou práci. Vnímám to tak, že nejlepší výsledky přináší spolupráce mužů a žen.

Pomohl vám úspěch v Ceně Wernera von Siemense ve vaší vědecké kariéře?

 Především si ocenění nesmírně vážím a jsem hrdá na to, že moje práce byla oceněna. Ta soutěž má bezesporu zvuk a je vnímána jako prestižní záležitost. Chtěla bych vyzdvihnout, že se mi líbily všechny oceněné práce, včetně technických, do kterých samozřejmě tolik nevidím, ale laicky mi přišly skvělé. Většinu z nich vnímám jako „game changer“, tedy něco, co posune lidstvo kupředu. Je pro mě opravdu čest, že se moje práce zařadila mezi tak skvělé vědecké výstupy. Moc se mi líbil i předávací večer. Bylo velmi příjemné poznat ostatní oceněné vědce – všichni byli velmi inspirující. Na samotný galavečer budu velmi ráda vzpomínat.

RNDr. Kateřina Snopková, Ph.D.

Experimentální bioložka specializující se na bakteriální fyziologii a genomiku. Působí na Lékařské fakultě Masarykovy univerzity v Brně, kde se zaměřuje na využití alternativních antimikrobiálních látek při léčbě mikrobiálních infekcí. V rámci doktorského studia byla členkou polární expedice na ostrově Jamese Rosse v Antarktidě a svůj vědecký rozvoj podpořila také výzkumnými stážemi na Glasgow University a University of Groningen. Její hlavní specializací jsou antimikrobiální látky zvané bakteriociny, zejména ty produkované environmentálními bakteriemi. Kromě výzkumu se věnuje cestování a dvěma malým synům.

Do soutěže Cena Wernera von Siemense se můžete hlásit prostřednictvím webové stránky www.cenasiemens.cz každoročně vždy do 30. listopadu.