Wyjaśnienie początków symbiozy drobnoustrojów z gospodarzem
Obecnie wiadomo, że symbiotyczne mikroorganizmy ochronne są powszechnie występującymi składnikami mikrobioty roślinnej, zwierzęcej i ludzkiej. Przykładem są muchy, w przypadku których odziedziczone bakterie wytwarzają toksyny, które obniżają zdolność do rozmnażania się pasożytów. Z kolei kakaowiec właściwy zawiera mikroorganizmy ochronne łagodzące szkodliwe skutki patogenów grzybiczych atakujących liście. Mikroorganizmy są również stosowane u ludzi w leczeniu chorób zakaźnych, stanowiąc m.in. podstawę przeszczepu mikrobioty jelitowej, który polega na przeszczepieniu drobnoustrojów z kału zdrowej osoby do jelit osoby chorej. Ponieważ drobnoustroje mogą naprawdę szybko ewoluować, istnieje prawdopodobieństwo, że ewolucja symbiotycznych bakterii broniących gospodarzy o dłuższym okresie życia, takich jak ssaki czy drzewa, będzie przebiegać szybciej, przez co mogą być one zdolne do przeciwdziałania zakażeniom sprawniej od samego gospodarza. „Sprawdziliśmy, czy pożyteczne mikroby mogą »wygrać« wyścig koewolucyjny z patogenami”, mówi Kayla King(odnośnik otworzy się w nowym oknie), która jest profesorem ekologii ewolucyjnej na Uniwersytecie Oksfordzkim(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i koordynatorką projektu COEVOPRO, finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (ERBN). „Udało mi się pokazać(odnośnik otworzy się w nowym oknie), że drobnoustroje mogą ewoluować w ciągu kilku dni, aby zapewnić ochronę, co sprawia, że mechanizmy obronne, w których biorą udział mikroby, mogą przejąć od gospodarzy odpowiedzialność za walkę z patogenami w procesie ewolucji”, dodaje King. Rodzi to sytuację, w której symbionty obronne mogą być bardziej skuteczne niż układ odpornościowy gospodarza. W ramach projektu uczeni sprawdzali również, jak ten proces działa, gdy symbionty obronne należą do dużej społeczności tworzącej mikrobiotę gospodarza, chcąc się dowiedzieć, czy te efekty ochronne mogą być osłabione.
Nowa interakcja nicieni i drobnoustrojów rzuca światło na powstawanie symbiozy
Chcąc zbadać, w jaki sposób narodziło się zjawisko symbiozy mającej na celu ochronę, zespół projektu wykorzystał relacje między nicieniami i drobnoustrojami. Wcześniejsze badania dotyczące ochronnych efektów symbiozy bazowały na znanych z przyrody przykładach. Z tego powodu nie uwzględniają one informacji na temat sposobu, w jaki taka symbioza powstaje. Zespół projektu zdecydował się na wykorzystanie nicieni i drobnoustrojów, które nie występują razem w naturze, w związku z czym gatunki te po raz pierwszy weszły ze sobą w interakcję dopiero w laboratorium.
Jak powstaje ochrona zapewniana przez symbiotyczne bakterie?
Uczeni skupieni wokół projektu COEVOPRO analizowali ewolucję gospodarza i symbiotycznych bakterii na podstawie „udanych” wariantów, gospodarzy, którzy przeżyli zakażenie, oraz symbiotycznych bakterii, które skolonizowały tychże gospodarzy. „Eksperymentalna ewolucja jest dobrze ugruntowaną metodą pozwalającą na kontrolowaną analizę czynników wpływających na szybkość i wzorce interakcji między gatunkami”, zauważa King. Zespół odkrył, że korzystne drobnoustroje mogą kształtować sposób, w jaki gospodarze i patogeny oddziaływają wzajemnie na siebie na przestrzeni pokoleń. Zaobserwowano, że w tym czasie wytwarza się cecha gospodarza zwana „tolerancją”, dzięki której gospodarz radzi sobie z patogenami powodującymi zakażenie, zamiast je usuwać, ponieważ drobnoustroje obronne zmniejszają zjadliwy wpływ zakażenia. „Następnie odkryliśmy, że patogeny są w stanie skutecznie infekować dzięki procesowi wzajemnych zmian ewolucyjnych, który pozwala im przeciwdziałać ochronie mikrobiologicznej, a nie walczyć z układem odpornościowym gospodarza. Wyniki te mówią nam o tym, że drobnoustroje ochronne były głównym czynnikiem kształtującym ewolucję między gospodarzem a patogenami”. King przedstawiła swoje odkrycie w artykule(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym na łamach czasopisma „Current Biology”. Ochrona wiąże się z kosztami i korzyściami, gdyż jest to kompromis: „Odkryliśmy, że ochrona i koszty związane z symbiontami to tylko gra liczbowa. Zdołaliśmy ustalić(odnośnik otworzy się w nowym oknie), że większa liczba ochronnych komórek drobnoustrojów w organizmie gospodarza nicienia może zapewnić większy stopień ochrony przed patogenami, ale oznacza to także większe koszty pod względem zdrowia gospodarza”. King jest pewna, że wsparcie ERBN miało ogromne znaczenie dla realizacji tego projektu. „To był zaszczyt otrzymać grant ERBN dla początkujących naukowców. Dał mi on możliwość pracy z genialnymi naukowcami i poszerzenia wiedzy na temat drobnoustrojów pełniących funkcje ochronne. Perspektywy, jakie otwiera odkrycie tej ochrony przed chorobami zakaźnymi, są liczne i ekscytujące”, mówi.
