Του Εμμανουήλ Μπιμπή,
Ως παθογονικότητα ορίζουμε την ικανότητα ενός μικροβίου να προκαλέσει βλάβη σε έναν ξενιστή, ενώ η μολυσματικότητα αναφέρεται στον βαθμό της βλάβης που θα προκαλέσει το μικρόβιο. Σε αντιδιαστολή, η ανθεκτικότητα στα αντιμικροβιακά, στα οποία περιλαμβάνονται και τα αντιβιοτικά, σύμφωνα με τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας, αναφέρεται στην ικανότητα των βακτηρίων, των ιών, των μυκήτων και των παρασίτων να αλλάζουν με τον χρόνο, με αποτέλεσμα τα υπάρχοντα φάρμακα να είναι λιγότερο δραστικά απέναντί τους και άρα να δυσκολεύεται η ίαση των μολύνσεων που προκαλούν και να αυξάνεται η πιθανότητα μετάδοσης της ασθένειας, της σοβαρότητας των συμπτωμάτων και του θανάτου.
Κάποια βακτήρια διαθέτουν την ικανότητα να πραγματοποιήσουν οριζόντια μεταφορά γενετικού υλικού, δηλαδή να μεταφέρουν γενετικό υλικό από ένα βακτήριο δότη σε ένα βακτήριο δέκτη. Σε αντίθεση με την κάθετη μεταφορά του γενετικού υλικού, που συμβαίνει από τα γονικά βακτήρια στα θυγατρικά από τη μια γενιά στην άλλη μέσω της κυτταρικής διαίρεσης, η οριζόντια μεταφορά γενετικού υλικού μπορεί να πραγματοποιηθεί μεταξύ βακτηρίων διαφορετικών στελεχών, ακόμα και διαφορετικών ειδών.
Υπάρχουν τρείς μηχανισμοί που υποστηρίζουν την οριζόντια μεταφορά γενετικού υλικού: ο μετασχηματισμός, η μεταγωγή και η σύζευξη. Στον μετασχηματισμό το βακτήριο δότης, για διάφορους λόγους, λύεται και απελευθερώνει το γενετικό υλικό στο περιβάλλον, με αποτέλεσμα να μπορεί εύκολα να προσληφθεί από κάποιο βακτήριο δέκτη.
Στη μεταγωγή η μεταφορά από τον δότη στον δέκτη πραγματοποιείται με τη διαμεσολάβηση ενός βακτηριοφάγου. Οι βακτηριοφάγοι είναι ιοί που προσβάλλουν βακτήρια και κάποιοι από αυτούς, όταν μολύνουν ένα βακτήριο, μπορούν είτε να εισέλθουν σε λυτικό είτε σε λυσιγονικό κύκλο ζωής. Η μεταγωγή μπορεί να χωριστεί στη γενικευμένη και στην ειδική. Στη γενικευμένη ο φάγος ακολουθεί τον λυτικό κύκλο ζωής, στον οποίο αρχίζει να πολλαπλασιάζεται χρησιμοποιώντας τους μοριακούς μηχανισμούς του κυττάρου, αφού έχει κομματιάσει το γενετικό υλικό του βακτηρίου. Κατά τον σχηματισμό των ιοσωματίων, κάποια από αυτά μπορεί να πακετάρουν τυχαία τμήματα του βακτηριακού γενετικού υλικού. Τα ιοσωμάτια μόλις εξέλθουν από το κύτταρο προκαλούν τη λύση του.
Στην εξειδικευμένη μεταγωγή, ο φάγος ακολουθεί τον λυσιγονικό κύκλο, στον οποίο το ιικό γονιδίωμα ενσωματώνεται σε κάποιο σημείο στο βακτηριακό γονιδίωμα με ομόλογο ανασυνδυασμό και σε συνθήκες στρες για το βακτήριο, «ξυπνάει» και αποκόπτεται. Σε αυτήν τη διαδικασία, ενδεχομένως, να παρασύρει και αλληλουχίες του βακτηρίου σε «αντάλλαγμα» για κάποιες δικές του, εφόσον το πρωτεϊνικό του περίβλημα είναι συγκεκριμένου μεγέθους. Η διαφορά, σε σχέση με τη γενική μεταγωγή, έγκειται στο γεγονός πως η αρχική ενσωμάτωση του ιικού γονιδιώματος δεν είναι τυχαία και άρα θα αποκοπούν παράπλευρες βακτηριακές αλληλουχίες από το σημείο στο οποίο ενσωματώθηκαν. Έπειτα, ο ιός εισέρχεται στον λυτικό κύκλο και, όπως αναφέρθηκε, εξέρχεται από το κύτταρο για να μολύνει τα υπόλοιπα κύτταρα.
Στη σύζευξη, το βακτήριο δέκτης διαθέτει το πλασμίδιο F (Fertility), το οποίο εκφράζει γονίδια για την παραγωγή του συζευκτικού τριχιδίου που θα αποτελέσει τη «γέφυρα» για τη μεταφορά του γενετικού υλικού από τον δότη στον δέκτη. Κατά τη μεταφορά του γενετικού υλικού, αυτό αντιγράφεται ώστε ο δότης να μην το χάσει. Και στις τρεις περιπτώσεις, για να διατηρηθεί το νεοαποκτηθέν γενετικό υλικό και στην επόμενη γενιά, θα πρέπει είτε να μπορεί να αντιγραφεί ανεξάρτητα από το βακτηριακό χρωμόσωμα, όπως στην περίπτωση ενός πλασμιδίου είτε να μπορεί να ενσωματωθεί σε αυτό μέσω ομόλογου ανασυνδυασμού. Ταυτόχρονα και στις τρεις περιπτώσεις μπορούν να μεταφερθούν γονίδια τόσο από πλασμίδια του δότη, όσο και από το χρωμόσωμά του.
Προφανώς, δεν είναι όλα τα βακτήρια δεκτικά σε ξένο γενετικό υλικό και για αυτό σε εργαστηριακό επίπεδο χρησιμοποιούμε διάφορες τεχνικές για αυτόν τον σκοπό. Παράλληλα, οι διαδικασίες αυτές μπορούν να πραγματοποιηθούν είτε στο φυσικό περιβάλλον είτε σε κλινικό. Η μελέτη της διασποράς των γονιδίων που καθιστούν τα βακτήρια παθογόνα ή ανθεκτικά στα αντιβιοτικά είναι σημαντική για την υγεία του ανθρώπου, καθώς καθιστά τα υπάρχοντα παθογόνα μικρόβια πιο επικίνδυνά και δύσκολα να αντιμετωπιστούν.
Το 2017 ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας εξέδωσε την πρώτη λίστα με τα πιο σημαντικά μικρόβια που εμφανίζουν ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά. Από τα 12 βακτηριακά είδη, τα οκτώ είναι ήδη γνωστό ότι μπορούν να δεχτούν ξένο DNA, ενώ τα υπόλοιπα προβλέπεται ότι ακολουθούν την ίδια συμπεριφορά. Η παρατήρηση αυτή δείχνει τη σημασία της μελέτης αυτών των μηχανισμών, καθώς και τις επιπλοκές που έχουν στην υγεία του ανθρώπου.
Αρχίζοντας από τη σύζευξη, το πλασμίδιο που μεταφέρεται από το βακτήριο δότη στο βακτήριο δέκτη μπορεί να περιέχει γονίδια τα οποία προσδίδουν ανθεκτικότητα στις β-λακτάμες, όπως οι πενικιλίνες. Τα γονίδια αυτά συνήθως κωδικοποιούν τα ένζυμα που ονομάζονται β-λακταμάσες, τα οποία τροποποιούν το αντιβιοτικό, καθιστώντας το μη ενεργό. Παράλληλα, η σύζευξη φαίνεται πως συμβάλλει στην εμφάνιση πολυανθεκτικών βακτηρίων, όπως έχει παρατηρηθεί στην περίπτωση του Staphylococcus aureus που είναι ανθεκτικό στη μεθισιλίνη, το υπεύθυνο βακτήριο για πολλές ενδονοσοκομειακές λοιμώξεις. Κάποια στελέχη κατάφεραν να γίνουν ανθεκτικά και στη βανκομυκίνη, λόγω μεταφοράς πλασμιδίου από το βακτήριο Enterococcus faecalis.
Η μεταγωγή έχει δειχθεί μόνο έμμεσα ότι συμβαίνει σε κλινικό επίπεδο, καθώς βακτηριοφάγοι που έχουν απομονωθεί από νοσοκομείο, που βρέθηκαν στελέχη Staphylococcus aureus ανθεκτικά στη μεθισιλίνη, μπορούσαν να μεταφέρουν γονίδια ανθεκτικότητας σε ευαίσθητα στελέχη στο εργαστήριο. Αντίστοιχα, σε κλινικό επίπεδο έχει δειχθεί πως μεταφέρονται γονίδια ανθεκτικότητας στις πενικιλίνες και στις τετρακυκλίνες. Στα κατά gram αρνητικά βακτήρια υπάρχει η υπόθεση πως τα στελέχη που παράγουν ευρείας δραστικότητας β-λακταμάσες (ESBL) έχουν προέλθει από στελέχη όχι ιδιαίτερα παθογόνων βακτηρίων. Σε γενικές γραμμές, με τη μεταγωγή μπορούν να μεταφερθούν, αν και σε μικρότερο ποσοστό, και πλασμιδιακά γονίδια ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά.
Αντίστοιχα με τη μεταγωγή και τη σύζευξη, και ο μετασχηματισμός έχει παρατηρηθεί σε κλινικά σημαντικά μικρόβια, όπως στα γένη Acinetobacter, Haemophilus, Neisseria, Pseudomonas, Staphylococcus και Streptococcus. Ο μετασχηματισμός σαν φαινόμενο αποτέλεσε σημαντικό βήμα για την κατανόηση ότι το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό των οργανισμών, όπως φαίνεται στο ιστορικό πείραμα του Griffth, το 1928, και στον μετασχηματισμό των αδρών και μη παθογόνων σε λεία και παθογόνα στελέχη του βακτηρίου Streptococcus pneumonia.
Παρά την κατανόηση των μοριακών μηχανισμών που διέπουν τον μετασχηματισμό και ό,τι συμβαίνει μεταξύ βακτηρίων κατά τη διάρκεια της μόλυνσης, δεν έχει αποδειχθεί άμεσα η συνεισφορά του στη διάδοση των γονιδίων ανθεκτικότητας σε κλινικό επίπεδο, ίσως επειδή δεν είναι εύκολο να εντοπιστούν τα μετασχηματισμένα κύτταρα. Σημαντική παρατήρηση είναι πως τα βακτήρια στα βιουμένια (biofilms), λόγω του φαινομένου quorum sensing, δηλαδή την ικανότητα των βακτηρίων να «μετρήσουν» τον πληθυσμό τους και μόνο αφού ξεπεράσουν έναν αριθμό να επάγουν την έκφραση κάποιων γονιδίων, γίνονται πιο δεκτικά να προσλάβουν DNA από το περιβάλλον τους.
Ολοκληρώνοντας, οι μέχρι τώρα έρευνες δείχνουν πως η σύζευξη αποτελεί τον βασικό μηχανισμό μεταφοράς γενετικού υλικού μεταξύ των βακτηρίων σε κλινικό επίπεδο, αν και εργαστηριακά δεδομένα θεωρούν σημαντική τη συνεισφορά και των άλλων δυο μηχανισμών, παρότι σε κλινικό επίπεδο δεν είναι ακόμα εφικτό να καταγραφούν. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για μελλοντικές μελέτες αποτελεί η ικανότητα των ίδιων των αντιβιοτικών να ενισχύσουν την οριζόντια μεταφορά των γονιδίων ανθεκτικότητας σε αυτά.
ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΠΗΓΕΣ
- Horizontal transfer of antibiotic resistance genes in clinical environments, cdnsciencepub.com. Διαθέσιμο εδώ
- Plasmid transfer by conjugation in Gram-Negative bacteria: from the cellular to the community level, mdpi.com. Διαθέσιμο εδώ
- Horizontal gene transfer of antibiotic resistance genes in biofilms, mdpi.com. Διαθέσιμο εδώ
