Inne wpisy z tej serii:
Co zawdzięczamy wirusom (1): kilka pytań fundamentalnych
Co zawdzięczamy wirusom (3): podstępni włamywacze, czyli wirusy w stylu retro
Co zawdzięczamy wirusom (4): dygresja o naszym genomie i ukrytych w nim wirusach
Co zawdzięczamy wirusom (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło
Co zawdzięczamy wirusom (6): nowy obraz ewolucji życia

Nasz superorganizm

Według najnowszych oszacowań organizm zdrowego dorosłego człowieka zawiera mikrobiotę, na którą składa się średnio około 3,9 ∙ 10¹³ (39 bilionów) jednokomórkowych mikroorganizmów. Są wśród nich archeowce i eukarionty, ale znakomita większość naszej mikrobioty to bakterie. Jest ich kilkaset razy więcej niż wszystkich pozostałych drobnoustrojów razem wziętych. Powyższa liczba jest nieco większa niż szacowana liczba naszych własnych, ludzkich komórek, a jeśli weźmiemy pod uwagę, że ok. 84% komórek ludzkiego ciała to czerwone krwinki, w których zanika jądro wraz z DNA, to my, ludzie (Homo sapiens) jesteśmy szczęśliwymi posiadaczami (a raczej gospodarzami) genomów bakteryjnych w liczbie mniej więcej dziesięciokrotnie przewyższającej liczbę kopii naszego własnego genomu.

Co więcej, o ile ludzkie komórki zawierają niemal stuprocentowo identyczne, bliźniacze zestawy genów, to liczba gatunków mikroorganizmów, które nas zamieszkują, sięga grubych tysięcy, a genom każdego z nich jest inny. Oznacza to dostęp do ogromnego bogactwa produktów genów bakteryjnych, których nasz organizm nie byłby w stanie syntetyzować samodzielnie. Genom ludzki zawiera ok. 20 tysięcy genów. „Superorganizm”, na który składają się także wszyscy nasi mali towarzysze, ma potencjalnie do dyspozycji wiele milionów różnych genów. Niektóre związki syntetyzowane dzięki nim przez bakterie mają zasadnicze znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania na przykład ludzkiego układu odpornościowego, a także naszego ulubionego narządu – mózgu. Mikroorganizmy żyjące na naszej skórze i na błonach śluzowych, w jamie ustnej, w układzie moczowo-płciowym, a przede wszystkim w jelitach, gdzie rezyduje ich przytłaczająca większość, są z reguły nie pasożytami, ale komensalami lub symbiontami. Wciąż wiemy stosunkowo niewiele o szczegółach tej symbiozy, ale jedno jest oczywiste: bogata i urozmaicona mikrobiota wydatnie zwiększa szanse na długie i zdrowe życie. Bez bakteryjnych symbiontów, które zaczynają kolonizować organizm noworodka już w pierwszych godzinach i dniach po narodzinach, nie pociągnęlibyśmy długo.

Ale to nie wszystko. Jak w każdym ekosystemie zamieszkanym przez bakterie można w naszej mikrobiocie znaleźć także wirusy infekujące jej członków. Te wirusy to bakteriofagi (dla przyjaciół w skrócie „fagi”), ze względu na właściwości i pochodzenie ewolucyjne dzielone na kilka grup. Ok. 96% z nich należy do klasy Caudoviricetes, czyli „fagów z ogonkami”, w ogóle największej ze znanych grup wirusów na tym poziomie taksonomicznym.¹ Jest to niezwykle starożytny klad, koewoluujący z bakteriami od zarania dziejów życia na Ziemi.² Ze zrozumiałych względów ludzie interesują się fagami mniej niż wirusami atakującymi zwierzęta, a jednak każdy z nas nosi w sobie mniej więcej dziesięć razy więcej fagów niż bakterii. Jest ich kilkaset bilionów.³ Choć ich łączna masa nie przekracza pół grama, każdy z nich wyposażony jest w genom: w przypadku Caudoviricetes jest to dwuniciowe DNA o długości od kilkunastu tysięcy do ponad pół miliona nukleotydów. I nie jest dla nas bynajmniej obojętne, co siedzi w tych genomach. Mówiąc więc o ludzkiej mikrobiocie i jej zdrowiu, nie wolno zapominać o bakteriofagach.

Fagi i ich bakterie

Jako się rzekło, fagi i bakterie żyją razem w układzie pasożyt–gospodarz od kilku miliardów lat. Jedne i drugie mają się na Ziemi znakomicie, co oznacza, że jest to układ oparty na stabilnych strategiach ewolucyjnych. W interesie bakteriofagów nie leżałoby całkowite wyniszczenie bakterii (wymarłyby także razem ze swoimi ofiarami), a z kolei bakterie nie są wobec fagów całkowicie bezbronne. Bakteryjny system obrony antywirusowej potrafi rozpoznawać przynajmniej niektóre fagi i blokować ich replikację. Oczywiście fagi starają się oszukać ten system i tak toczy się odwieczny wyścig zbrojeń zwany koewolucją. Na tym jednak nie koniec. Pasożytnictwo może ewoluować w symbiozę przynoszącą korzyść obu stronom. Wiąże się to ze zdolnością fagów do wchodzenia w tzw. cykl lizogeniczny: fag włącza swoje DNA (zwane profagiem) do genomu bakterii. Gdy bakteria rozmnaża się przez podział, profag replikowany jest razem z resztą genomu i rozmnaża się także, nie zabijając komórek żywicielskich. Dlaczego nie ulegają przy tym ekspresji geny kodujące składniki wirusa, dzięki czemu możliwy byłby „montaż” i wydostanie się z komórki gotowych wirionów? Bo sam profag koduje czynnik hamujący transkrypcję tych genów, tzw. represor.

Bakteria odnosi korzyść z tego rodzaju łagodnej infekcji. Po pierwsze – obecność represora powoduje, że bakteria staje się odporna na infekcje tym samym lub blisko spokrewnionym szczepem faga, blokując jego zdolność do niekontrolowanego namnażania się w jej wętrzu. Po drugie – może użyć swojego faga jako broni biologicznej przeciwko bakteriom konkurencyjnym. Jeśli mamy krewniaczą społeczność bakterii wyposażoną w profagi danego typu, zdarza się (spontanicznie lub pod wpływem stresów środowiskowych), że w niektórych komórkach bakteryjnych działanie represora ustaje i wirus przechodzi w odmienny tryb działania: cykl lityczny. Komórka syntetyzuje jego składniki, tworzą się z nich liczne wiriony, bakteria umiera i rozpada się, uwalniając fagi w postaci zdolnej do zjadliwego zakażania. Siostry i kuzynki bakterii, która właśnie zginęła, są nadal wyposażone w profaga, a zatem dość skutecznie zabezpieczone przed atakiem tych konkretnych wirusów. Pechowa bakteria, u której wirus się uaktywnił w sposób zjadliwy, ginie, ale jej ofiara nie idzie na marne, jeśli bakterie z konkurencyjnych szczepów, rywalizujących o te same zasoby, nie są nosicielami profaga i infekcja jest dla nich zabójcza. Bakteria „kamikaze” zwiększa sukces reprodukcyjny swojego DNA pośrednio, pomagając innym nosicielkom tego samego zestawu genów. A ponieważ w skład tego zestawu wchodzi profag, wirus również uczestniczy w tym sukcesie.

Zdarza się też, że profag traci zdolność powrotu do trybu litycznego i na stałe pozostaje składnikiem genomu swojego gospodarza. W ten sposób bakterie pozyskują geny wirusowe kodujące białka, które mogą się okazać użyteczne w nowych zastosowaniach. Jak zobaczymy w jednym z kolejnych wpisów, nie tylko bakterie zdobywają w ten sposób nowe, przydatne geny.

Prezenty dla gospodarza

Ciekawą klasą białek kodowanych przez profagi są te, które wpływają na zjadliwość bakterii pasożytniczych, pomagają bakteriom bronić się przed eukariotycznymi drapieżnikami lub niszczyć bakterie konkurujące o te same zasoby środowiska. Oprócz białkek pomagających bakteriom np. przyczepiać się do atakowanej komórki lub trawić jej ścianę, a także bakteriocyn hamujących wzrost bakterii pokrewnych, warto wspomnieć egzotoksyny – broń chemiczną, często o mocy piorunującej. Ekspresja takich genów jest regulowana przez osobne czynniki transkrypcyjne, zachodzi więc pomimo faktu, że ekspresja pozostałych genów wirusa jest powstrzymywana przez represor.

Pierwszym poznanym przykładem była toksyna maczugowca błonicy (Corynebacterium diphtheriae), odpowiedzialna za objawy chorobowe zakażenia tą bakterią. Produkuje ją maczugowiec, ale nie na podstawie własnego DNA, tylko genu tox zawartego w profagu – genomie korynefaga β, wirusa infekującego komórki maczugowca i pozostającego w nich w cyklu lizogenicznym. Dziesięć mikrogramów toksyny błoniczej to dla człowieka dawka śmiertelna. Jeszcze bardziej zabójcza trucizna o działaniu neurotoksycznym, botulina typu C1 lub D, potocznie znana jako botoks, kodowana jest z kolei w genomach kilku gatunków fagów, a produkowana w komórkach infekowanej przez nie laseczki jadu kiełbasianego (Clostridium botulinum). Inne dobrze znane bakterie uzbrajane w toksyny przez wirusy to np. przecinkowiec cholery (Vibrio cholerae), gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus) czy pałeczka ropy błękitnej (Pseudomonas aeruginosa). Choć zatem bakteriofagi nie atakują nas bezpośrednio, to nadają zjadliwość szczepom bakterii, które bez łagodnego zainfekowania fagiem nie byłyby dla nas niebezpieczne.

Sam bakteriofag nie używa kodowanych przez siebie toksyn dla własnych potrzeb, zapewne nie są one także jego oryginalnym wynalazkiem, tylko zostały przejęte w zamierzchłych czasach od dawniejszych bakteryjnych gospodarzy – na przykład pierwotnym źródłem protoplasty genu tox mogły być inne bakterie z typu promieniowców (Actinobacteria), do którego należy Corynebacterium. Jednak to wirus jest właścicielem patentu na aktualną wersję genu kodującego jad i można powiedzieć, że płaci nim za gościnę: zainfekowana bakteria staje się nie tylko odporna dla ponowne zakażenie tym samym wirusem, ale także wyposażona w naprawdę niebezpieczną broń masowego rażenia.

Przyjaciele i wrogowie naszych przyjaciół

Wspomniane bakterie nie są na szczęście normalnymi składnikami naszej mikrobioty. Ponieważ jednak żyją w niej tysiące gatunków bakterii i – jak wskazują niedawno publikowane wyniki badań metagenomicznych – ok. 140 tys. gatunków bakteriofagów (z czego około połowa to wirusy wcześniej nieznane), a cykl lizogeniczny występuje wśród nich powszechnie, łatwo sobie wyobrazić, jak skomplikowane relacje wiążą wszystkich uczestników tego ekosystemu (z człowiekiem włącznie) i jak trudne jest zbadanie ich w szczegółach. Fagi – dzięki swojej zdolności do przełączania się z trybu litycznego na lizogeniczny i odwrotnie – są czynnikiem regulującym równowagę ekologiczną społeczności bakteryjnych. W zależności od sytuacji mogą pomagać bakteriom lub hamować wzrost ich populacji. Bakterie należące do różnych szczepów mogą także „walczyć na fagi”.

Ponieważ bakterie jelitowe są między innymi fabryką neuroprzekaźników, neuropeptydów czy cytokin, od których zależy prawidłowe funkcjonowanie centralnego układu nerwowego (jest to tzw. „oś mózgowo-jelitowa”, obecnie intensywnie badana), a z kolei fagi dynamicznie wpływają na populacje bakterii, to nasze procesy poznawcze, zmiany nastroju czy podatność na choroby neurodegeneracyjne pozostają w znacznym stopniu na łasce bakteriofagów. Podobnie rzecz się ma z układem odpornościowym, tym bardziej, że choć fagi nie atakują naszych komórek, to stale przenikają przez bariery anatomiczno-fizjologiczne do tkanek chronionych przed patogenami, między innymi do krwi, gdzie białka kapsydów wchodzą w bezpośredni kontakt z komórkami odpowiedzi immunologicznej. W tym przypadku udział bakterii jest zbędny. Czego przy okazji uczy się nasz układ odpornościowy i jakie to ma znaczenie dla naszego zdrowia, nie wiemy do końca.

Terapia fagowa?

Już w pierwszej połowie XX w. eksperymentowano z użyciem fagów do zwalczania bakterii chorobotwórczych wprost – na zasadzie „wróg mojego wroga jest moim przyjacielem”. Odkrycie antybiotyków spowodowało, że badania te zeszły na daleki plan. Idea terapii fagowej – w różnych wariantach, wykorzystujących potencjał wirusów na rozmaite, niekoniecznie oczywiste sposoby – wraca co pewien czas, ale w zasadzie nie wyszła poza fazę eksperymentów (Polska ma w tej dziedzinie niebagatelne osiągnięcia, o czym zapewne jeszcze będziemy mieli okazję napisać). Na przeszkodzie stoją między innymi luki w naszej wiedzy o sieci oddziaływań między fagami, bakteriami i organizmem zasiedlonym przez nie wszystkie. Im więcej o nich wiemy, tym bardziej oczywisty staje się także ogrom naszej niewiedzy. Można jednak mieć nadzieję, że w miarę postępu badań uda się pokonać te trudności. Już teraz fagi są za to wdzięcznymi obiektami badań dla inżynierii genetycznej. Można ich użyć na przykład w szczepionkach jako nośnika antygenów białkowych lub DNA kodującego białka patogenu. Te zastosowania są już całkowicie realne i zapewne będą stosowane w szczepionkach nowych generacji.

Spośród trojga laureatów nagrody Nobla z chemii w roku 2018 dwaj (Amerykanin George Smith i Brytyjczyk Gregory Winter) zostali nagrodzeni za rozwinięcie eleganckiej techniki kontrolowanej ewolucji białek „prezentowanych” na powierzchni bakteriofagów.⁴ Spośród miliardów molekuł namnażanych wraz z wirusami i modyfikowanych przez mutacje selekcjonuje się te o najbardziej pożądanych właściwościach. Metoda ta ma liczne zastosowania praktyczne, od medycznych (otrzymano w ten sposób stosowane już na dużą skalę leki na reumatoidalne zapalenie stawów i choroby autoimmunologiczne) po używanie bakteriofagów jako próbników molekularnych w testach diagnostycznych i katalizatorów w procesach biochemicznych.

Uwagi językowe

Terminy bakteriofag i fag stały się trochę niezręczne, odkąd zaczęliśmy się orientować w najgłębszych pokrewieństwach organizmów żywych. Archeowce (zwane też archeonami) nie są bakteriami w rozumieniu współczesnej systematyki, a wirusy, które je najczęściej atakują, należą w dużej części do specyficznych grup niezbyt podobnych do typowych wirusów bakteryjnych. Ponadto element -fag (z greckiego pʰágos ‘zjadacz, pożeracz’) niezbyt precyzyjnie określa to, co wirusy robią bakteriom. Być może rozsądniej byłoby mówić o bakteriowirusach, archeowirusach i eukariowirusach (co zresztą niektórzy specjaliści starają się robić). Tradycja ma jednak swoje prawa i zapewne „fagi” zostaną z nami jeszcze przez pewien czas.

Przypisy

¹⁾ Oczywiście nie oznacza to, że inne grupy nie mają znaczenia. Jest ich kilka i odznaczają się wielką różnorodnością. Interesujące są na przykład archeowirusy, czyli wirusy specjalizujące się w infekowaniu archeowców – bardzo specyficzne, często wrzecionowate lub pałeczkowate. Ich badania rzucają ciekawe światło na przebieg najdawniejszej ewolucji wirusów.
²⁾ Dalekimi krewnymi fagów z ogonkami (których część atakuje także archeowce) są herpeswirusy pasożytujące na zwierzętach (u człowieka wywołują one np. opryszczkę, półpasiec i ospę wietrzną).
³⁾ Dla porównania: liczbę kopii wirusa SARS-CoV-2 w organizmie człowieka w szczytowej fazie zakażenia COVID-19 szacuje się na 10⁹–10¹¹, a łączną masę ich wirionów na 1–100 μg (milionowych części grama).
⁴⁾ Trzecia laureatka, Frances Arnold (USA), otrzymała nagrodę za podobne osiągnięcia – kontrolowaną ewolucję enzymów, tyle że bez wykorzystania bakteriofagów.

Lektura dodatkowa

Wirusy w ludzkiej mikrobiocie: https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(21)00072-6
Cykl lityczny i cykl lizogeniczny (w skrócie): https://pl.khanacademy.org/science/biology/biology-of-viruses/virus-biology/a/bacteriophages
Nagrody Nobla z chemii (2018): https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/prize-announcement/

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Niedawno odkryty wirus Tsamsa z rodziny Siphoviridae, jeden z największych bakteriofagów. Infekuje bakterie z rodzaju Bacillus i może występować jako profag (w cyklu lizogenicznym) laseczki wąglika (B. anthrax). Źródło: Ganz et al. 2014 (licencja CC BY-SA).
Ryc. 2. SSV19, wrzecionowaty archeowirus o ogonku odznaczającym się osobliwą, siedmiokrotną symetrią obrotową. Wirus ten infekuje ekstremofilne archeowce z rodzaju Sulfolobus, żyjące w źródłach wulkanicznych, silnie zakwaszonych (pH 2–3) i gorących (temperatura ok. 75–80 °C). Wirus wytrzymuje te warunki równie dobrze jak jego gospodarz. Źródło: Han et al. 2022 (licencja CC BY-NC-ND).