Większość obecnie stosowanych zabiegów eliminacji bakterii jest niewystarczająca, by uniknąć np. zanieczyszczenia żywności czy zakażeń wywołanych działaniem bakterii opornych na leczenie. W Uniwersytecie Gdańskim trwają badania, które mają szansę to zmienić. Polegają m.in. na ocenie właściwości antybakteryjnych białek modułowych do zwalczania patogenów bakteryjnych. W kolejnym odcinku z cyklu „Młodzi naukowcy UG”  rozmawiam z dr Aleksandrą Kocot, zatrudnioną w projekcie kierowanym przez dr hab. Magdalenę Płotkę z WB UG Młoda badaczka wychodzi naprzeciw oczekiwaniom i problemom zarówno przemysłu spożywczego, jak i sektora medycznego.

Elżbieta Michalak-Witkowska: - Badasz bakterie, konkretnie biofilm. Czym on jest?

Dr Aleksandra Kocot: - Biofilm to zbiorowisko bakterii, osadzone na różnych powierzchniach, otoczone warstwą substancji zewnątrzkomórkowych. Tak naprawdę większość bakterii występuje właśnie w postaci biofilmu, a nie w formie pojedynczych komórek bakteryjnych.  Bytuje on zarówno w środowisku naturalnym  (gleba, zbiorniki wodne, powierzchnia roślin), w organizmach ludzi i zwierząt (m.in. płytka nazębna, skóra czy bakterie jelitowe czyli mikrobiota), w środowisku szpitalnym (rany, implanty chirurgiczne), jak również w zakładach przemysłu spożywczego (rury wodociągowe, powierzchnie robocze, fermentory). Bakterie zorganizowane w postaci biofilmu potrafią się ze sobą komunikować na drodze  chemicznej (tzw. quorum sensing), np. odnośnie tego, które geny aktywować, a które hamować. System zależności pomiędzy komórkami bakteryjnymi w biofimie, jak również specjalizacja komórek w obrębie biofilmu sprawia, że możemy na biofilm patrzeć jak na prosty organizm wielokomórkowy.  

- Interesuje Cię m.in. to, jak można te bakterie skutecznie zwalczać. Skutecznie, czyli inaczej niż przy użyciu ogólnodostępnych środków dezynfekcyjnych czy antybiotyków.

- Właściwości bakterii wchodzących w skład biofilmów różnią się od tych charakteryzujących bakterie występujące pojedynczo. Komórki biofilmu są  bardziej oporne na czynniki środowiskowe czy substancje antybakteryjne, jak wspomniane przez Ciebie środki dezynfekcyjne czy antybiotyki, w porównaniu z bakteriami żyjącymi w pojedynkę, co pozwala skupiskom mikroorganizmów funkcjonować w warunkach, w których nie mogłyby przeżyć pojedyncze komórki.

Wielu badaczy dowiodło już, że biofilm odznacza się większą tolerancją na antybiotyki, środki dezynfekcyjne czy stresy środowiskowe, takie jak zmiany zasolenia, pH czy ekstremalne temperatury. Dodatkowy problem w skutecznym zwalczaniu bakterii stanowi narastające zjawisko antybiotykoodporności, wobec czego stosowane dotychczas środki antybakteryjne są niewystarczające. Dlatego poszukujemy nowych, bardziej efektywnych substancji o działaniu antybakteryjnym, które pozwolą na skuteczne zwalczanie biofilmów. Moje wcześniejsze badania wykazały, że im starszy biofilm, tym ciężej go zwalczyć. Niezwykle ważne jest więc to, by eliminować go na wczesnym etapie powstawania.  

- Projekt, w który obecnie jesteś zaangażowana, skupiony jest wokół bakterii Gram-ujemnych. Czemu ukierunkowaliście badania właśnie na nie?

- Pracuję obecnie na stanowisku post-doc’a w projekcie OPUS 20 pt. „Analiza molekularna stabilności termicznej endolizyn z ekstremofilnych bakteriofagów na drodze zwalczania bakterii Gram-ujemnych”, kierowanym przez dr hab. Magdalenę Płotkę. Badam potencjał białek modułowych, zawierających część katalityczną (enzymatyczną) z endolizyn  wyizolowanych z ekstremofilnych bakteriofagów, do zwalczania bakterii Gram-ujemnych.

Skupiamy się na bakteriach Gram-ujemnych z dwóch powodów. Po pierwsze - ze względu na budowę ściany komórkowej są one trudniejsze do zwalczenia niż bakterie Gram-dodatnie, po drugie - jak wynika z aktualnych raportów, to właśnie bakterie Gram-ujemne stanowią większość uporczywych patogenów zarówno w przemyśle spożywczym jak i w sektorze medycznym.

- Gdzie żyją bakterie Gram-ujemne i w jakich miejscach jest ich najwięcej?

- Bakterie są „wszędobylskie” bez względu na to, czy są Gram-dodatnie czy Gram-ujemne. Jednak zgodnie z doniesieniami EFSA (Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności) pierwsze miejsca w rankingu patogenów przenoszonych przez żywność reprezentowane są przez Campylobacter, Salmonella, Escherichia coli (STEC) i Yersinia, czyli bakterie Gram-ujemne. Do problematycznych, wielolekoopornych bakterii, z którymi zmaga się medycyna, zaliczamy z kolei m. in. Acinetobacter baumannii i Pseudomonas aeruginosa, a więc również przedstawicieli bakterii Gram-ujemnych.

Dobrym przykładem na zobrazowanie problematyki biofilmów tworzonych przez bakterie Gram-ujemne jest m. in. kolonizacja ran przez Acinetobacter baumannii, co sprawia, że rany wolniej się goją, mogąc doprowadzić do zakażenia całego organizmu (sepsy). A. baumannii jest jedną z najczęstszych przyczyn infekcji szpitalnych, coraz trudniejszych w kontroli i w leczeniu. Materiały/tworzywa medyczne również są doskonałą powierzchnią, która może być zasiedlona przez bakterie, czego dowodem jest występowanie biofilmów np. na implantach chirurgicznych.

- Zatrzymajmy się na moment przy żywności. Przemysł spożywczy poddawany jest regularnym kontroli, a nad jakością dopuszczanych do obiegu produktów czuwa cała rzesza specjalistów. Niedopatrzenia się zdarzają, to fakt, jednak nie są chyba częste?

- Zgadza się. Żywność, która dostaje się na rynek musi spełnić szereg kryteriów bezpieczeństwa, w tym bezpieczeństwa mikrobiologicznego. Mimo to zdarza się, że zanieczyszczone bakteriami produkty spożywcze stają się ogniskiem chorób przenoszonych przez żywność. Dobrym przykładem jest głośna sytuacja z początku tego roku, kiedy masowo  wycofywano ze sprzedaży produkty znanej marki produkującej słodycze. Z rynku wycofywano partię produktów wyprodukowanych w Belgii, co było spowodowane zgłaszanymi przypadkami Salmonelli. O tym, że biofilmy stanowią realny problem w sektorze spożywczym świadczy również fakt, że liczba zakładów, które wyrażają chęć diagnozowania i zwalczania biofilmów wzrosła z 20 do 70 proc. i to tylko na przestrzeni pięciu lat (2015-2020).

To najlepszy przykład na to, że bakterie chorobotwórcze wciąż mogą stanowić zagrożenie dla konsumentów oraz  być przyczyną strat ekonomicznych dla producentów żywności.

- Jak do tego wszystkiego ma się Wasz projekt?

- Szukamy nowych substancji efektywnych do zwalczania bakterii Gram-ujemnych, również bakterii zorganizowanych w formę biofilmu. Wcześniej zespół zbadał i scharakteryzował endolizyny z bakteriofagów (czyli wirusów zwalczających bakterie), występujących w gorących źródłach Islandii. Aktualnie domeny katalityczne tych endolizyn stanowią składową litycznych białek modułowych. Koncepcja tych układów modułowych zakłada zwiększenie ich potencjału antybakteryjnego względem bakterii Gram-ujemnych. Mamy nadzieję, że wśród naszych konstruktów znajdziemy białko modułowe skutecznie eliminujące patogeny Gram-ujemne.

- Czyli udało się Wam zahamować możliwość gromadzenia bakterii Gram-ujemnych, a tym samym zwiększyć szanse na ich skuteczne zniszczenie. Pozostaje pytanie, w formie jakiego produktu Wasze rozwiązanie będzie mogło mieć zastosowanie w codzienności?

- Na razie badamy białka modułowe w różnych układach i wariantach. Optymalizujemy warunki, w których białka są aktywne i wykazują działanie bakteriobójcze lub bakteriostatyczne na komórki bakterii Gram-ujemnych, występujących zarówno w formie pojedynczych komórek jak i w biofilmach, tworzonych na różnych powierzchniach. Najbardziej efektywne układy modułowe są badane jako potencjalne wsparcie dla sektora spożywczego.

- Jak wygląda Twoja codzienna praca przy projekcie. Na czym polega?

- Pierwszy etap można określić mianem screeningu. Wśród uzyskanych konstruktów poszukuję takich układów, które rzeczywiście hamują lub ograniczają wzrost różnych bakterii Gram-ujemnych. Właściwości antybakteryjne tych litycznych białek modułowych badam głównie względem patogenów żywności. Następnie badamy właściwości białek modułowych w zwalczaniu biofilmów bakteryjnych. Układy modułowe o największej aktywności antybakteryjnej badam następnie w matrycach żywnościowych, z uwzględnieniem parametrów charakterystycznych dla łańcucha żywnościowego.

- Projekt będzie trwał cztery lata. Masz jakieś dalsze plany?

- Codziennie pojawiają się nowe pytania, które, mam nadzieję, zaowocują opracowaniem koncepcji mojego autorskiego projektu, o którego finansowanie chciałabym aplikować w przyszłości. Mam nadzieję, że wkrótce będę mogła powiedzieć coś więcej. Pewnie jest to, że pozostanę w temacie substancji antybakteryjnych. 

- Dziękuję za rozmowę.