W poprzednim wpisie napisałem o metodach, które mogą umożliwić nam stworzenie lustrzanej bakterii, która będzie produkowała lustrzane białka złożone z D-aminokwasów i L-cukrów. Ale czy stworzenie lustrzanych bakterii to nowa i zupełnie bezpieczna dziedzina biotechnologii? Wielu ekspertów ma na ten temat wątpliwości. W czasopiśmie „Science” z 20.12.2024 r. ukazał się artykuł, którego autorzy przestrzegają przed niebezpieczeństwami związanymi z powstaniem lustrzanych organizmów i proponują, żeby wstrzymać się z ich tworzeniem do czasu gruntownej analizy możliwych zysków i strat. Dlaczego lustrzane organizmy mogą być niebezpieczne?
Lustrzane życie i zagrożenia dla środowiska
W naturalnym środowisku bakterie nie mogą namnażać się do woli, bo padają ofiarą drapieżników. Są to przeważnie protisty, czyli organizmy posiadające jądro komórkowe niebędące roślinami, grzybami ani bakteriami. W wodnych ekosystemach to właśnie protisty wchodzące w skład planktonu kontrolują namnażanie się bakterii. Robią to za pomocą fagocytozy, czyli procesu polegającego na pobieraniu ze środowiska pokarmów stałych i degradacji ich w lizosomach. Uważa się, że lustrzane bakterie nie będą rozpoznawane przez protisty, ponieważ ich powierzchniowe białka i cukry nie przypominają cząsteczek, z którymi organizmy te stykają się na co dzień. Jeżeli nawet lustrzane bakterie zostałyby przez nie wchłonięte, to na pewno nie ulegną degradacji wewnątrz komórki, ponieważ nie ma enzymów degradujących D-białka i L-cukry.
Drugim regulatorem bakterii w naturalnym środowisku są bakteriofagi, czyli wirusy bakteryjne. Pisał o nich na blogu Piotr Gąsiorowski. Mogą one zabijać bakterie za pomocą swoistych mechanizmów, dlatego dziś, kiedy coraz więcej bakterii jest oporne na antybiotyki, wiąże się z nimi duże nadzieje, bo mogą kiedyś zastąpić antybiotyki.
Lustrzane bakterie będą jednak całkowicie niewidoczne dla bakteriofagów, a to (w połączeniu z ich niewrażliwością na zabijanie przez protisty) może spowodować drastyczne zmiany w ekosystemach Ziemi. Mogą one opanować w krótkim czasie wszystkie nisze ekologiczne, a skutki tego mogą być nieobliczalne.
Wspomniałem o antybiotykach. Może dałoby się zwalczać lustrzane bakterie za pomocą znanych obecnie antybiotyków? Niestety nie. Większość antybiotyków to cząsteczki chiralne: wykazano, że ich lustrzane formy nie wykazują żadnej aktywności bakteriobójczej. W związku z tym większość znanych obecnie antybiotyków nie będzie skuteczna w walce z lustrzanymi bakteriami. Owszem, są achiralne cząsteczki o działaniu przeciwbakteryjnym, jak np. chinolony czy sulfonamidy. Mogą one być skuteczne przeciw lustrzanym bakteriom, ale związków takich jest chyba za mało, żeby skutecznie walczyć z nową klasą bakterii.
Rośliny odgrywają ogromną rolę w ekosystemie Ziemi, przede wszystkim pochłaniając dwutlenek węgla i wytwarzając tlen. Bez nich życie na Ziemi nie byłoby możliwe. Jednocześnie rośliny zapewniają (pośrednio lub bezpośrednio) wyżywienie dla ośmiu miliardów ludzi na Ziemi. Połowę kalorii niezbędnych ludziom do życia zapewniają tylko cztery gatunki: ryż, pszenica, soja i kukurydza. Rośliny mają zaawansowany system oporności na patogeny bakteryjne, ale system ten nie będzie działać wobec lustrzanych bakterii. Nawet niewielkie procentowo straty w plonach spowodowane przez lustrzane bakterie mogą mieć ogromne skutki dla wyżywienia ludzkości.
Lustrzane życie i zagrożenia dla człowieka
Nasze zdrowie zależy od sprawności układu odpornościowego, którego odpowiedź na patogeny można podzielić na wrodzoną i adaptacyjną. Jednak pierwszą linią obrony przed patogenami są naturalne bariery, takie jak skóra czy błony śluzowe. Produkują one wiele białek i peptydów zdolnych do zabijania bakterii (np. lizozym). Dużą rolę w rozpoznawaniu patogenów jeszcze przed wniknięciem do organizmu mają też przeciwciała klasy IgA. Cząsteczki te rozpoznają jednak wyłącznie naturalne (czyli nie-lustrzane) białka. Lustrzane bakterie będą dla nich niewidoczne, co ułatwi im drogę do wnętrza naszego ciała.
Jeżeli bakterie pokonają fizyczne bariery utrudniające dostęp do naszego ciała, to uruchamia się wrodzona reakcja odpornościowa. Jaki jest jej mechanizm? Wyspecjalizowane komórki (np. makrofagi i granulocyty) rozpoznają wzorce molekularne związane z patogenami (pathogen-associated molecular patterns, PAMP). Są to elementy ściany komórkowej drobnoustrojów takie jak peptydoglikany i lipopolisacharydy bakteryjne, a także np. dwuniciowe RNA wirusów. Są one rozpoznawane przez białka na powierzchni makrofagów czy granulocytów; komórki te wtedy uruchamiają produkcję cytokin prozapalnych, czyli białek wpływających na wzrost i proliferację komórek układu odpornościowego. Produkowane są też małe białka zwane chemokinami, których zadaniem jest „zwabianie” komórek układu odpornościowego do miejsca zakażenia (Ryc. 1).
Ryc. 1. Dlaczego lustrzane bakterie stanowią zagrożenie dla ludzkiego organizmu? Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.
Osobną formą odpowiedzi wrodzonej jest aktywacja białek dopełniacza, które są w stanie lizować (niszczyć) bakterie. W normalnych warunkach taka wrodzona obrona chroni nas dość dobrze przed inwazją patogenów. Wszystko razem powoduje, że większość bakterii jest zabijana natychmiast po wniknięciu do naszego ciała. Dotyczy to jednak wyłącznie naturalnych bakterii.
Co się stanie się, kiedy do naszego ciała wnikną lustrzane bakterie? W najlepszym przypadku odpowiedź wrodzona będzie słaba, a w najgorszym żadna. Większość wzorców molekularnych będzie dla naszych komórek niewidoczna, ponieważ będą to lustrzane odbicia cząsteczek, z którymi nasze komórki mają na co dzień do czynienia. Dotyczy to zarówno lustrzanych białek, które składają się z D-aminokwasów, jak polisacharydów, w których skład wchodzą L-cukry. Tak więc uruchomienie odpowiedzi wrodzonej wobec lustrzanej bakterii może się skończyć podobnie jak próba włożenia lewej nogi do prawego buta.
A co z adaptacyjną odpowiedzią odpornościową, czyli przeciwciałami i limfocytami T? Jej podstawą jest prezentacja małych fragmentów białek produkowanych przez patogeny pomocniczym limfocytom T. Służą do tego specjalne białka nazywane białkami MHC, które wiążą te małe fragmenty (czyli peptydy) i prezentują je limfocytom T. Ich działanie wyjaśniła na blogu Agnieszka Szuster-Ciesielska. Pobudzone w ten sposób limfocyty T aktywują limfocyty B do produkcji przeciwciał. Każdy z nas produkuje przeciwciała o prawie wszelkich możliwych swoistościach, czyli mogących rozpoznać (prawie) każdy patogen, z którym mieliśmy do czynienia (dlatego szczepionki działają).
Białka MHC wiążą peptydy, które powstały z białek patogenów zdegradowanych przez proteazy. Naturalne proteazy nie rozpoznają jednak lustrzanych białek, tak więc białka MHC nie otrzymają żadnych lub prawie żadnych peptydów do prezentowania limfocytom T. Ponadto, białka MHC są przystosowane do wiązania peptydów złożonych z L-aminokwasów. Lustrzane odbicia tych peptydów prawdopodobnie będą słabo się z nimi wiązać, co dodatkowo obniży szanse na skuteczną odpowiedź odpornościową (Ryc. 2).
Ryc. 2. Porównanie aktywacji limfocytów T przez naturalne i lustrzane bakterie. Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.
Wszystko razem może spowodować, że wobec lustrzanych bakterii będziemy tak bezbronni, jak ludzie dotknięci ciężkim wrodzonym niedoborem odporności wobec naturalnych bakterii. Zaburzenie to polega na nieprawidłowym rozwoju i różnicowaniu limfocytów B i T, a dotknięte nim osoby są całkowicie nieodporne na zakażenie bakteryjne, wirusowe i grzybicze. Jedyną terapią jest przeszczep szpiku kostnego. Bez niej mogą przeżyć tylko w sterylnych warunkach (Ryc. 3).
Ryc. 3. David Vitter, chłopiec dotknięty ciężkim złożonym niedoborem odporności, w bańce z tworzywa sztucznego, która chroniła go przed patogenami. Licencja CC BY 1.0.
Tak więc zarówno wrodzona, jaki i adaptacyjna odpowiedź odpornościowa może okazać się nieskuteczna w przypadku kontaktu z lustrzanymi bakteriami. Konsekwencje mogą być bardzo groźne.
Inżynieria genetyczna: rzeczywiście tak niebezpieczna? Trochę historii
Żywe organizmy zaczęto modyfikować genetycznie w latach 70. ubiegłego wieku i od początku budziło to kontrowersje. W lipcu 1974 r. czasopismo „Science” zamieściło apel czołowych biologów molekularnych z USA.
Jego autorzy przestrzegali przed zagrożeniami związanymi ze świeżo powstałą wtedy technologią rekombinacji genów. W swoim apelu zwracali uwagę na to, że podstawowa bakteria stosowana w tej technologii, Escherichia coli, jest stałym rezydentem ludzkiego układu pokarmowego, gdzie może wymieniać materiał genetyczny z innymi bakteriami, w tym patogennymi. Jeżeli ludzie wprowadzą do bakterii nowe (obce dla nich) DNA, to takie szczepy mogą żyć własnym życiem, stanowiąc zagrożenie dla innych żywych organizmów. Bakterie te mogą okazać się oporne na wszystkie znane antybiotyki. Ponadto, rekombinacja DNA onkogennych wirusów może stworzyć nowe i niebezpieczne dla człowieka wirusy. Dlatego autorzy prosili o moratorium na eksperymenty związane z rekombinacją DNA.
Czas pokazał, że przewidywania te się nie spełniły. Rekombinacja DNA okazała się całkowicie bezpieczną dziedziną biotechnologii. Sami autorzy listu przyznali to w artykule, który ukazał się 20 lat później.
Może więc dzisiejsze obawy przed lustrzanym życiem też są przesadzone? Takie lustrzane bakterie raczej nie będą zdolne do życia poza laboratorium, podobnie jak szczepy bakterii dziś używane do rekombinacji DNA. Więc może lustrzane bakterie nie będą jednak takie groźne? A jeśli tak, to może zacząć planowanie nad otrzymaniem lustrzanego kręgowca (np. myszy), złożonej z D-białek, D-lipidów, L-cukrów i L-nukleotydów. Taka mysz powinna być odporna na wszystkie znane patogeny.
A lustrzany człowiek, odporny na wszystkie znane choroby? Dziś stworzenie takiego człowieka jest niemożliwe z przyczyn technicznych (nie mówiąc o etycznych). Ale w przyszłości? Ciekawe, czy większość takich ludzi byłaby leworęczna?
Literatura dodatkowa
Zagrożenia związane z rozwojem lustrzanej biologii
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads9158
Zagrożenia związane z rekombinacją DNA. List do Science z lipca 1974 r.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.185.4148.303
Kontrowersje związane z rekombinacją DNA w 20 lat później (1994 r.)
Hej, może autofagia pomoże. Podobno leczy wiele chorób, niestety to nie tania rzecz
Autofagia to eliminacja niepotrzebnych składników komórek za pomocą mechanizmów związanych z lizosomami. Rzecz w tym, że te mechanizmy nie będą działać w przypadku lustrzanych białek i cukrów.
Ale skoro lustrzane bakterie będą pracować na lustrzanych substratach, to dla nich zakażanie zwykłego organizmu będzie kompletnie bezcelowe.
Rzecz w tym, że nie do końca. Lustrzane bakterie na pewno będą mogły metabolizować związki achiralne, takie jak kwasy tłuszczowe, glicyna czy glicerol. Zapewne będą też mogły metabolizować niektóre L-aminokwasy, skoro „naturalne” bakterie mogą rozkładać D-aminokwasy. Tak więc z ich punktu widzenia zakażanie „naturalnych” organizmów może być całkiem sensowne.
Kwestia jak kosztowne to może dla nich być, może się szczęśliwie okazać, że poza laboratorium nie przeżyją, lub zmutuja w „normalną” stronę.
Ja myślę, że tak właśnie może być. Większość szczepów bakteryjnych używanych dziś w laboratorium nie jest w stanie przeżyć poza nim.