Baktériumok szállodája az emberi test

Az utóbbi évek nagy felfedezése, hogy több baktériumsejt él bennünk, mint amennyi a saját sejtjeink száma. A velük való kölcsönhatásunk egyelőre beláthatatlanul bonyolult, de az már bizonyos, hogy az egész többsejtű lét - így a miénk is - elképzelhetetlen volna nélkülük. A bennünk élő baktériumtömeg, a mikrobiom egyensúlya nélkülözhetetlen a megfelelő emésztéshez, az immunrendszer működéséhez és a betegségek féken tartásához.

A baktériumokkal való együttélésünk története igen régi história: becslések szerint valamikor másfél milliárd évvel ezelőtt kezdődhetett. Ekkor történt ugyanis, hogy ősünk - aki akkor még maga is valami baktériumféle volt - "összebútorozott" a ma mitokondriumként ismert, energiaellátásunk nagy részét biztosító sejtszervecske baktérium elődjével. Innentől fogva a valódi sejtmagvas lények, vagyis az eukarióták - akik közé mi is tartozunk - élettana és evolúciója elválaszthatatlanul összefonódott a baktériumokéval, akik a sejtjeinkbe költöztek, és megváltozott formában ugyan, de ma is ott élnek.

Sejtjeink kölcsönhatása a tulajdon mitokondriumaikkal az együttélés lehető legszorosabb formája, az ún. endoszimbiózis, melyben az egyik élőlény a másik sejtjeinek a belsejében lel végleges otthonra. Ám a kölcsönös függés lehetőségeinek skálája igen széles, a viszonylag lazától az egészen szorosig. Az utóbbi idők kutatásainak nyomán világossá vált, hogy a soksejtű állatok (beleértve természetesen az embereket is) seregnyi fajta baktériummal állnak kölcsönösen előnyös kapcsolatban a függőség legkülönbözőbb fokain. Kiderült például, hogy mind a gerinctelenek, mind a gerincesek külső és belső hámfelszínei "kiválasztják" maguk számára a környezetből azokat a baktériumokat, amelyek az evolúció során már odaszoktak, és amelyek jelenlétükkel - a biztonságos megélhetésért cserébe - számtalan előnyhöz juttatják gazdájukat. Az állatokkal kívül-belül együtt élő baktériumok segítenek például kiterjeszteni a befogadó szervezet számára hasznosítható táplálékok körét, jelentősen hozzájárulnak az immunrendszer éretté formálásához, és féken tartják kórokozó unokatestvéreiket.

Forrás: AFP/Klaus Rose

Csak szálloda az emberi test

A mikrobiommal - vagyis a testünket benépesítő sokmilliárdnyi mikrobával - foglalkozó tudósok szerint nem is rossz közelítés, ha az emberi szervezetre mint egyfajta szállodára gondolunk, amely megdöbbentően változatos, baktériumokból, állati egysejtűekből, gombákból, ősbaktériumokból (archeákból) és vírusokból álló nyüzsgő kavalkádnak ad otthont. A lakók közül persze akadnak, akik nem éppen a kedvünket keresik, inkább kihasználnak bennünket - őket tekintjük kórokozóknak -, ám a túlnyomó többséggel az együttélésünk békés, mi több, mindkét fél számára gyümölcsöző.

Az efféle kölcsönös előnyökön alapuló együttélést nevezik az ökológusok szimbiózisnak, a benne részt vevő szervezeteket pedig szimbiontáknak. Hogy melyiküktől pontosan milyen hasznunk származik, azt olyan módon próbálják felderíteni a kutatók, hogy steril körülmények között született laboratóriumi állatokba egyenként telepítik be az őket a természetben spontán kolonizáló mikrobafajokat, és figyelik azoknak a gazda fejlődéséhez és egészségéhez adott hozzájárulását. Az eredmények egyértelműen arra utalnak, hogy minden állat évmilliók hosszú során csiszolódott össze a vele ma szimbiotikus viszonyban élő mikrobákkal.

Baktériumok nélkül nem megy

Az édesvízi hidrák a fejlődésbiológia kedvelt modellállatai, nemcsak viszonylag egyszerű testszerveződésük, hanem könnyű tarthatóságuk és szaporíthatóságuk okán is. A Kieli Egyetem (Németország) zoológia tanszékén is több mint 20 éve tartják fenn két rokon hidrafaj tenyészetét, teljesen azonos, szabványos körülmények között. Sebastian Fraunét és Thomas C. G. Bosch-t, az egyetem kutatóit azonban nem az apró állatkák fejlődése, hanem az őket benépesítő baktériumtársulások fajösszetétele érdekelte.

A két faj mikrobiomjának feltérképezéséből született eredmény igencsak megdöbbentette a tudósokat: annak ellenére, hogy egyedeik sok száz generáció óta változatlan, mesterséges körülmények között éltek, a velük élő mikrobatársulások még mindig nagyon komplexek és gazdagok voltak - és ami a legmeglepőbb, a két hidrafaj teljesen más összetételű társulásnak adott otthont. Úgy tűnik, az állatok nemzedékek százain át megőrizték és féltőn továbbadták vadon élő őseik mikrobiális örökségét, ugyanis az évtizedes elszigeteltségben élő hidrafajok mikrobiomja még mindig jelentős hasonlóságot mutatott a vad populációkéval. Ez pedig - mivel az akváriumokban élő valamennyi mikroba mindkét faj számára egyaránt hozzáférhető volt - nehezen magyarázható másképp, mint hogy a hidrák hámfelületei valami módon aktívan kiválasztják a közegből a nekik megfelelő baktériumokat, s az állatok e képessége genetikusan öröklődik.

További kísérletek bizonyították, hogy a fajra jellemző baktérium-összetétel megváltozik, ha az egyszerű állatkák valamelyik szövettípusát eltávolítják, amiből a kutatók arra következtettek, hogy a hidrák testének valamennyi szövete hozzájárul a mikrobiom alakításához. S hogy mennyire nélkülözhetetlen szerepet játszanak a féltve őrzött és gondosan válogatott baktériumok a hidrák életciklusában, azt jól mutatja, hogy a baktériumaiktól antibiotikus kezeléssel megfosztott hidrák - még ha mégoly jól tápláltak voltak is - képtelenné váltak az állatcsoportra oly jellemző, bimbózással történő szaporodásra.

Forrás: Wikipedia/Przemysław_Malkowski

Meghálálják a törődést

Hogy pontosan miként függ a hidrák szaporodása kedvenc mikrobáik jelenlététől, az máig tisztázatlan; más esetekben viszont világos, mire kellenek gazdájuknak a háziasított baktériumok. Az ember és sok állat a tápcsatornáikat benépesítő szimbionta baktériumok nélkül nem jutna hozzá egyes elemi tápanyagokhoz, illetve nem tudná élelemként hasznosítani a hozzáférhető táplálékok egy részét.

Jól ismert, hogy az állati szervezet a fehérjéket felépítő húszféle aminosav közül nem mindegyiket tudja maga előállítani; ezek némelyikét, az ún. esszenciális aminosavakat a táplálékkal kellene bevinnie. Azonban sok olyan, szegényes táplálékellátottságú élőhely akad, ahol képtelenség valamennyi esszenciális aminosavat külső forrásból beszerezni. Ilyenkor jutnak fontos szerephez a szimbionta bélbaktériumok, amelyek - az állati szervezettel ellentétben - képesek ezeket az aminosavakat egyszerűbb előanyagokból felépíteni, és az általuk fel nem használt felesleget készséggel bocsátják gazdájuk rendelkezésére.

A bélbaktériumok további jótéteményekkel is meghálálják a gondoskodást: vitaminokat állítanak elő a gazda számára, mérgező vegyületeket ártalmatlanítanak, serkentik az immunrendszert, és segítenek megőrizni a bélnyálkahártya épségét.+

Nélkülözhetetlen szerepet játszanak a mikrobák a növényi poliszacharidok, mindenekelőtt a növényi táplálékkal nagy tömegben fogyasztott, ám az állati szervezet számára energiaforrásként hozzáférhetetlen cellulóz lebontásában is. A termeszektől a kérődzőkig valamennyi olyan állat tápcsatornájában, amely a növényi poliszacharidokból energiát nyer, megtaláljuk azokat a mikrobiális életközösségeket, amelyek a tényleges lebontást elvégzik. Ezekben az állatokban a bélcsatorna valamelyik szakasza kifinomult fermentorrá specializálódott, amely pontosan beállított körülményeket biztosít a létfontosságú parányok fennmaradásához és szaporodásához. Nem mellesleg, mivel a növényi anyagok mikrobiális lebontásának végterméke olykor etanol - vagyis közönséges alkohol -, a folyamatban részt vevő enzimek tanulmányozása közelebb vihet minket a hatékonyabb bioüzemanyag-előállításhoz.

A levéltetű evolúciós hálája

Másféle problémával szembesülnek a levéltetvek, amelyek könnyen emészthető cukrokban gazdag, ám fehérjékben és más nitrogéntartalmú tápanyagokban szegény növényi táplálékforráson élnek. Táplálkozásuk effajta specializációját azok a bennük éldegélő szimbionta baktériumok teszik lehetővé, amelyek e metabolikusan mostoha körülmények közepette is megtermelik maguk - és a gazda - számára a fehérjére valót (vagyis az esszenciális aminosavakat).

A levéltetű evolúciós hálája nem marad el: összehasonlító genomikai vizsgálatok kimutatták, hogy e szívogató rovarok elvesztették a baktériumok egy csoportjával szembeni védekezésre alkalmas génjeiket - persze pont azokat, amelyek a kincset érő szimbiontákat támadnák. Sőt, az adok-kapok odáig fejlődött, hogy mivel az egyik aminosav szintézisének utolsó lépése kettejük közül csak a levéltetűben tud megvalósulni, nemcsak a baktérium látja el aminosavakkal a levéltetvet, hanem a gazda is átvesz némi anyagcsere-feladatot vendégmunkásától. Az évtízmilliók óta tartó szimbiózis tehát gyökeresen átformálta mindkét partner génállományát, véglegessé téve kettejük kölcsönös függőségét.

Forrás: AFP/SPL

Több bennünk a baktérium, mint az ember

És mi a helyzet az emberi bél szimbionta flórájával? Mert hogy nagyon sokan laknak bennünk, az bizonyos: a beleinket kolonizáló billiónyi baktériumsejt össztömege egy felnőtt emberben a 2 kilogrammot is eléri. Ha pusztán a számokat nézzük, a beleinkben élő baktériumsejtek száma vagy tízszerese az összes saját sejtünkének, úgyhogy mennyiségileg több bennünk a baktérium, mint az ember. Egyes fajok lecövekelnek a bélcsatorna valamelyik szakaszán, hogy ott egy-egy jól körülírt élőhelyen alkossanak sűrű populációt; mások csak átutazóban járják meg a beleinket, együtt mozogva a táplálékkal.

Felértékelődik a féregnyúlvány

Összességében ahhoz képest, hogy mekkora a jövés-menés egy tápcsatornában, beleink baktériumkolóniáinak összetétele és számossága többé-kevésbé állandó. Hogy ezt az állandóságot miként sikerül megőrizni, az még javarészt tisztázásra vár, de az első eredmények szerint a féregnyúlvány lehet az a viszonylag zavartalan hely, amely mintegy rezervoárként szolgál a jótékony mikrobák számára. Úgy tűnik, egy a bélflórát megtizedelő esetleges stresszhelyzet után a féregnyúlványban háborítatlanul megőrzött baktériumok innen tudnak kirajzani és a beleket újrakolonizálni. Ez a meglátás ugyancsak újraértékeli ennek az eddig lenézett és evolúciós csökevényként számon tartott bélszakasznak a jelentőségét.

Forrás: Wikipedia

A mi bélbaktériumaink hasonló szerepeket töltenek be az emberi élettanban, mint amilyeneket a korábbi állati példákban említettünk: komplex szénhidrátokat bontanak le helyettünk, amilyenekkel a mi enzimjeink nem tudnak megbirkózni; mérgező vegyületeket ártalmatlanítanak; serkentik a bélhámsejtek osztódását, és őrködnek bélnyálkahártyánk épsége fölött; féken tartják a kórokozó baktériumok szaporodását; továbbá szabályozzák immunrendszerünk működését, csökkentve az allergiás reakciók és a gyulladásos bélbetegségek kialakulásának esélyét.

A bélbaktériumok ezen és további, újabban felfedezett - például az elhízásban vagy a bélcsatorna egyedfejlődésében játszott - szerepeiről cikkünk hamarosan megjelenő folytatásában olvashatnak bővebben.