Bakterie z rodzaju Pandoraea nie były do tej pory wiele badane. Ich nazwa przypomina pudełko Pandory z mitologii greckiej, które jest symbolem niekontrolowanych niebezpieczeństw. „Pracowaliśmy z bakterią oporną na antybiotyki”-mówi Elena Herzog. Jest pierwszą autorką publikacji i pracuje jako doktorancka w zespole Christian Hertweck, szefowi badania w Leibniz Institute for Natural Product Research and Infection Biology (Leibniz-Hki). Jednak, podobnie jak wiele rzeczy w naturze, te patogenne bakterie mają nie tylko negatywne właściwości. „Bakterie Pandoraea nie tylko zawierają ryzyko. Produkują również naturalne produkty o działaniu przeciwbakteryjnym”.
Pomimo wysokiego ryzyka zdrowotnego, jakie stwarzają Pandoraea, ich właściwości molekularne były do tej pory nie znane. „Wiedzieliśmy tylko, że bakterie te występują w naturze i że mogą być patogenne, ponieważ znaleziono je w mikrobiomie płuc pacjentów z mukowiscydozą lub sepsą”, wyjaśnia Herzog.
Wyścig o żelazo
Jeśli chodzi o większość żywych organizmów, żelazo jest również niezbędne dla bakterii. „Żelazo odgrywa na przykład centralną rolę w enzymach i łańcuchu oddechowym żywych organizmów” – wyjaśnia Herzog. Szczególnie w środowiskach ubogich w żelazo, takich jak ciało ludzkie, warunki wystarczającego wchłaniania elementu są idealne. Wiele mikroorganizmów wytwarza zatem tak zwane siderofory: małe cząsteczki, które wiążą żelazo z środowiska i przenoszą je do komórki.
„Jednak w bakteriach Pandoraea nie było znanych czynników wirulencji ani niszowych, które mogłyby pomóc im przetrwać” – mówi Herzog. Zespół badawczy chciał zatem dowiedzieć się, w jaki sposób szczepy Pandoraea mogą przetrwać w tak konkurencyjnym środowisku.
Korzystając z analiz bioinformatycznych, zespół zidentyfikował wcześniej nieznany klaster genowy o nazwie PAN. Koduje nie rybosomalną syntazę peptydową – typowego enzymu do produkcji sideroforów. „Zaczęliśmy od analizy klastra genów i specjalnie przeszukaliśmy geny, które mogą być odpowiedzialne za produkcję sideroforów”, informuje Herzog.
Poprzez ukierunkowaną inaktywację genów, a także metody oparte na kulturze i najnowocześniejsze techniki analityczne-w tym spektrometria masowa, spektroskopia NMR, degradacja chemiczna i derywatyzacja-badacze z Jenę udało się izolować dwa nowe naturalne produkty i wyjaśniać ich strukturę chemiczną. „Cząsteczki pomagają bakteriom przyjąć żelazo, gdy jest to rzadkie w ich środowisku” – mówi Herzog.
Mniej żelaza, mniej konkurentów
Testy biologiczne wykazały również, że pandorabaktyny hamują wzrost innych bakterii, takich jak pseudomonas, Mycobacterium i Stenotrofomonas poprzez usunięcie żelaza z tych konkurentów.
Analizy próbek plwociny z płuc pacjentów z mukowiscydozą dalej ujawniły, że wykrywanie klastra genów PAN koreluje ze zmianami w mikrobiomie płuc. Pandorabaktyny mogą zatem mieć bezpośredni wpływ na społeczności drobnoustrojów w chorych płucach.
„Jednak jest jeszcze za wcześnie, aby czerpać zastosowania medyczne z tych ustaleń” – podkreśla Herzog. Niemniej odkrycie dostarcza ważnych informacji na temat strategii przetrwania bakterii z rodzaju Pandoraea i złożonej konkurencji o zasoby istotne w ludzkim ciele.
Badanie przeprowadzono w ścisłej współpracy między Leibniz-Hki i uniwersytetami Jena, Heidelberga i Hongkongu. Został przeprowadzony w ramach klastra „Bilans of the Microverse” i Chembiosys Collaborative Research Center i został sfinansowany przez Niemiecką Fundację Badawczą. Spektrometr masowy z obrazowaniem zastosowany do analiz został sfinansowany przez wolny stan Turingui i współfinansowany przez Unię Europejską.