Σε κάθε αυλή, πάρκο και παιδική χαρά του πλανήτη, το έδαφος σφύζει από ένα είδος βακτηρίων που ονομάζεται Streptomyces — έναν από τους πιο άφθονους οργανισμούς στον πλανήτη. Αν και αυτά τα μικρόβια που ζουν στο χώμα είναι γνωστά για την παραγωγή εκείνης της γήινης μυρωδιάς που γεμίζει τον αέρα μετά τη βροχή, αυτή η οικεία μυρωδιά δεν είναι παρά η κορυφή του παγόβουνου των χημικών ουσιών που παράγουν.
Τα Streptomyces είναι, στην ουσία, φυσικά φαρμακευτικά εργοστάσια, υπεύθυνα για την παραγωγή πολλών από τις αντικαρκινικές ενώσεις, τα ανοσοκατασταλτικά και τα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούνται σε κλινικές σε όλο τον κόσμο.
Ωστόσο, μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Microbiology υποδηλώνει ότι το χημικό τους ρεπερτόριο είναι ακόμη πιο περίπλοκο από ό,τι θεωρούταν μέχρι τώρα.
Μια πρόσφατα ανακαλυφθείσα τοξίνη που σκοτώνει έντομα
Ερευνητές του Πανεπιστημίου McMaster, του Παιδικού Νοσοκομείου της Βοστώνης και της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης στη Σουηδία και το Πανεπιστήμιο Yale, έχουν εντοπίσει και χαρακτηρίσει μια νέα κατηγορία τοξινών που παράγονται από τα Streptomyces και οι οποίες έχουν πολύ μακρινή συγγένεια με τη θανατηφόρα τοξίνη που προκαλεί τη διφθερίτιδα, μια σοβαρή και μεταδοτική λοίμωξη, στους ανθρώπους.
Παρά τις δομικές ομοιότητές τους με την τοξίνη της διφθερίτιδας, ωστόσο, αυτές οι πρόσφατα ανακαλυφθείσες τοξικές πρωτεΐνες δεν προκαλούν ασθένειες στον άνθρωπο. Ωστόσο, σκοτώνουν ένα ευρύ φάσμα εντόμων.
«Αυτές οι τοξίνες, τις οποίες ονομάσαμε εντομοκτόνες πρωτεΐνες Streptomyces antiquus, ή SAIPs, επηρεάζουν μόνο τα κύτταρα των εντόμων», εξηγεί ο Cameron Currie, καθηγητής στο Τμήμα Βιοχημείας και Βιοϊατρικών Επιστημών του Πανεπιστημίου McMaster και συν-επικεφαλής της νέας μελέτης.
Πώς οι τοξίνες στοχεύουν τα έντομα
Για να κατανοήσουν ακριβώς γιατί οι SAIP είναι τοξικές μόνο για τα έντομα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνολογία επεξεργασίας γονιδιώματος που ονομάζεται CRISPR, προκειμένου να εντοπίσουν τους παράγοντες του ξενιστή που απαιτούνται για την τοξικότητα. Με τη συστηματική απενεργοποίηση γονιδίων σε κύτταρα εντόμων, εντόπισαν μια επιφανειακή πρωτεΐνη που ονομάζεται «Flower».
Αν και υπάρχουν παραλλαγές αυτού του γονιδίου σε άλλους οργανισμούς, η παραλλαγή που είναι ειδική για τα έντομα είναι ο μόνος γνωστός υποδοχέας για τα SAIP. Αυτές οι τοξίνες δεν μπορούν να εισέλθουν στα κύτταρα χωρίς αυτόν, γι’ αυτό και δεν έχουν καμία επίδραση στους ανθρώπους.
Μέσω βιοπληροφορικών, γονιδιωματικών και εξελικτικών αναλύσεων, η ερευνητική ομάδα εντόπισε στη συνέχεια την εμφάνιση αυτών των μέχρι τότε άγνωστων τοξινών στο πέρασμα του χρόνου, προκειμένου να προσδιορίσει πότε το Streptomyces ανέπτυξε την ικανότητα να τις παράγει. Διαπίστωσαν ότι τα SAIP είναι στην πραγματικότητα αρχαία, με ιστορία που χρονολογείται πάνω από 100 εκατομμύρια χρόνια.
Για τον Currie, μέλος του Ινστιτούτου Έρευνας Λοιμωδών Νοσημάτων Michael G. DeGroote και κάτοχο της έδρας Jarislowsky για την Έρευνα Πανδημιών στο McMaster, η αρχαία ιστορία των τοξινών υποδηλώνει την πιθανότητα να έχουν διαδραματίσει κάποιο ρόλο στη διαμόρφωση των ανθρώπινων ασθενειών, αν και σημειώνει ότι αυτό παραμένει υποθετικό.
«Γνωρίζουμε ότι το βακτήριο που προκαλεί τη διφθερίτιδα απέκτησε την τοξίνη του από ένα άλλο είδος βακτηρίου πριν από πολύ καιρό, οπότε είναι πιθανό αυτές οι τοξίνες του Streptomyces να αποτέλεσαν το χωνευτήρι για την τελική εμφάνιση της τοξίνης της διφθερίτιδας», λέει.
Από συνεργάτες των εντόμων σε παθογόνα των εντόμων
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν παράγουν όλες οι είδη του γένους Streptomyces αυτές τις τοξίνες — στην πραγματικότητα, η συντριπτική πλειοψηφία των ειδών ζει αρμονικά μέσα, πάνω και γύρω από τα έντομα. Η ικανότητα αυτή, σύμφωνα με τους ερευνητές, φαίνεται να περιορίζεται σε μερικές συγκεκριμένες γενεαλογικές γραμμές εντός αυτού του τεράστιου γένους.
«Τα Streptomyces είναι κυρίως γνωστά για τις αμοιβαία επωφελείς σχέσεις τους με τα έντομα, αλλά ανακαλύψαμε μια ομάδα στελεχών που είναι πιθανότατα παθογόνα για τα έντομα», εξηγεί ο Min Dong, ερευνητής στο Boston Children’s Hospital, αναπληρωτής καθηγητής στη Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ και συν-επικεφαλής της νέας μελέτης.
Αυτά τα στελέχη, σύμφωνα με τους ερευνητές, έχουν εξελιχθεί ώστε να διαδραματίζουν έναν εξαιρετικά εξειδικευμένο ρόλο στη φύση.
«Δεν σκοτώνουν απλώς τα έντομα — είναι επίσης εξαιρετικά αποτελεσματικά στην κατανάλωσή τους, χρησιμοποιώντας τους νεκρούς ξενιστές τους ως πηγή ζωτικών θρεπτικών συστατικών», λέει ο Currie, ο οποίος συνεργάστηκε επίσης με τον Norbert Perrimon του Χάρβαρντ στη μελέτη.
Καθώς αυτά τα εξειδικευμένα στελέχη Streptomyces αποδομούν τον ιστό των εντόμων, παράγουν ταυτόχρονα ισχυρές αντιμικροβιακές χημικές ουσίες — πιθανώς για να αποκρούσουν ανταγωνιστικά μικρόβια που προσελκύονται από τον ίδιο πόρο.
Ως εκ τούτου, η ερευνητική ομάδα πιστεύει ότι αυτά τα στελέχη του Streptomyces που συνδέονται με έντομα θα μπορούσαν να αποτελέσουν μια σε μεγάλο βαθμό ανεκμετάλλευτη πηγή νέων αντιβιοτικών ή άλλων μορίων με ιατρική χρησιμότητα. Ήδη, σε προηγούμενες έρευνες, το εργαστήριο Currie έχει εντοπίσει μια σειρά από πολλά υποσχόμενα αντιβιοτικά που παράγονται από άλλα στελέχη του Streptomyces, γεγονός που τον κάνει να αισθάνεται αισιόδοξος όσον αφορά την κλινική σημασία αυτών των νέων χημικών ουσιών.
Πιθανές εφαρμογές στην ιατρική και τη γεωργία
Πέρα από αυτό, ο Currie επισημαίνει ότι η ανακάλυψη των SAIP είναι σημαντική, καθώς οι βακτηριακές τοξίνες μπορούν να έχουν επιπτώσεις που ξεπερνούν κατά πολύ τον ρόλο τους στην πρόκληση ασθενειών. Σημειώνει ότι η τοξίνη του botulinum —κοινώς γνωστή ως botox— έχει πολλές ιατρικές και αισθητικές εφαρμογές, ενώ άλλες βακτηριακές τοξίνες έχουν αξιοποιηθεί για χρήσεις στην ανοσολογία, τη γεωργία και τη βιοτεχνολογία.
«Προς το παρόν, πρόκειται για μια ανακάλυψη βασικής επιστήμης, αλλά μια ανακάλυψη που μπορεί να έχει κάποιες πραγματικά πρακτικές εφαρμογές στο μέλλον», λέει. «Μια τοξίνη όπως αυτή θα μπορούσε ενδεχομένως να βοηθήσει στον έλεγχο των φορέων ανθρώπινων ασθενειών, όπως τα κουνούπια, τα οποία μπορούν να μεταδώσουν την ελονοσία και τον ιό του Δυτικού Νείλου, ή ίσως να χρησιμοποιηθεί για την προστασία των καλλιεργειών από έντομα-εχθρούς. Είναι πιθανό να χρησιμοποιηθεί με διάφορους τρόπους».
Ο Currie και οι συνεργάτες του έχουν ήδη κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την ανακάλυψή τους και τώρα αρχίζουν να διερευνούν πιθανές οδούς εμπορικής αξιοποίησης της τοξίνης —ιδιαίτερα στη γεωργία, όπου οι τοξίνες εντόμων έχουν συνήθως μεγάλη ζήτηση.
Επόμενα ερευνητικά βήματα και συνολικός αντίκτυπος
Εν τω μεταξύ, η ερευνητική ομάδα μελετά τη συμπεριφορά των SAIP σε πιο σύνθετα βιολογικά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων πειραματικών συστημάτων με γρύλους και σκώληκες αλευριού — οργανισμούς που χρησιμεύουν ως εύχρηστα μοντέλα για τη μελέτη της μόλυνσης και της τοξικότητας.
Αυτές οι μελέτες επιτρέπουν επίσης στους ερευνητές να απομονώσουν τα αντιμικροβιακά που εκκρίνονται από στελέχη του Streptomyces που παράγουν τοξίνες, κάτι που θα τους βοηθήσει να κατανοήσουν καλύτερα το κλινικό τους δυναμικό.
Αλλά ανεξάρτητα από το πώς θα εξελιχθεί αυτή η συνέχεια της εργασίας, ο Currie λέει ότι η ανακάλυψη από μόνη της αποτελεί ένα σημαντικό ερευνητικό επίτευγμα, το οποίο υποδηλώνει πόσα πολλά μένουν ακόμη να μάθουμε για τα βακτήρια.
«Το γεγονός ότι βρήκαμε κάτι τόσο καινοτόμο σε μία από τις πιο άφθονες και καλά μελετημένες ομάδες βακτηρίων στον κόσμο υπογραμμίζει πόσο λίγα γνωρίζουμε στην πραγματικότητα για αυτά», λέει. «Αυτή η τοξίνη αποτελεί μια ισχυρή υπενθύμιση ότι τα βακτήρια είναι οργανισμοί απίστευτα ποικιλόμορφοι, με ικανότητες που συνεχίζουν να μας εκπλήσσουν.»