Bakterie jak mózg – jak się komunikują?

Każdy wie, że komórki w organizmie człowieka kontaktują się ze sobą. Nie jest tajemnicą przekazywanie sygnałów między neuronami na znaczne odległości – od końcówki palca aż do mózgu i z powrotem. Okazuje się, że także proste organizmy jednokomórkowe mogą ze sobą rozmawiać, tworząc społeczności przypominające tkankę, podobnie do komórek nerwowych.

Odkrycie bakterii

Kilkaset lat temu holenderski przyrodnik Antoni van Leeuwenhoek nocami szlifował soczewki i konstruował mikroskopy. Nie należały one do najwygodniejszych w użytkowaniu, ale precyzja wykonania pozwalała obserwować obiekty w nieznanej dotąd skali.

Po wielu próbach skonstruował przyrząd powiększający aż 270 krotnie. To ponad 6 razy więcej niż aparaty tworzone przez Roberta Hooke’a, odkrywcy m.in komórek roślinnych. Leeuwenhoek badający w zasadzie, to co mu wpadnie w ręce, odkrył coś znacznie mniejszego. W soczewce prymitywnego mikroskopu zobaczył mikroorganizmy, a wśród nich bakterie. Stało się to w 1677 roku i było początkiem mikrobiologii.

Początkowo nie rozumiano, czym bakterie tak naprawdę są. Wiedziano, że różniły je kształty i formy. Stopniowo tworzono eksperymenty z ich udziałem. Udowodniono, że mogą dawać kolejne pokolenia poprzez podział komórek. Przez długi czas, bo setki lat, traktowano je jako samotników. Wierzono, że mimo zajmowania tego samego miejsca co współtowarzysze, nie kontaktują się ze sobą. Wydawały się działać w pojedynkę.

Podobieństwa bakterii i innych organizmów żywych

Dziś wiemy, że bakterie i inne organizmy żywe wywodzą się od jednego wspólnego przodka. Nazwano go LUCA. Ten czteroliterowy skrót rozwija się jako „last universal common ancestor”, czyli ostatni uniwersalny wspólny przodek.

Wiadomo, że nawet odlegli krewniacy muszą mieć pewne cechy wspólne. Faktycznie, wszystkie komórki mają pewne podobieństwa w budowie czy sposobie funkcjonowania. Są nimi np. struktura błon, które otaczają komórkę, a także sposób zapisywania informacji genetycznej – występowanie tych samych liter genetycznego kodu. Wspólne są również podstawowe reakcje zachodzące we wnętrzach komórek. Okazuje się również, że zbliżony jest także sposób komunikowania między niektórymi z nich – neuronami i bakteriami.

Komórki nerwowe

To, że komórki budujące tkanki organizmu człowieka komunikują się ze sobą, nikogo dziś nie dziwi. Te molekularne rozmowy mogą zachodzić nawet na znaczne odległości. Informacje przenoszone są np. między znajdującymi się w skórze receptorami bólu a ośrodkami w płacie ciemieniowym mózgu, który ją interpretuje. Wiadomość przekazują oczywiście komórki nerwowe.

Komunikacja między neuronami możliwa jest dzięki budowie ich błony komórkowej. Ta, podobnie jak inne błony, nie przepuszcza swobodnie jonów, czyli naładowanych elektrycznie cząsteczek. Jednak ruchy tych molekuł na zewnątrz i do środka komórki są możliwe dzięki specjalnym białkom. Chodzi między innymi o kanały jonowe.

Przeczytaj też: Co to jest mikrobiom? Jaki ma wpływ na choroby?

Normalnie komórka nerwowa, gdy nie jest pobudzona, ma więcej ładunków dodatnich po swojej zewnętrznej stronie, a ujemnych po stronie wewnętrznej. Gdy uderzymy się w rękę, bodziec pobudza neurony do działania. Wtedy to kanały jonowe otwierają się, a rozmieszczenie jonów zaczyna się zmieniać. Zmiana ta obejmuje coraz dalsze obszary błony komórki nerwowej. Sygnał porusza się od ręki do oddalanego mózgu. Tak właśnie wygląda impuls nerwowy.

„Nerwowe” rozmowy bakterii

Bakterie mogą żyć w społeczności podobnej do prymitywnej tkanki, czyli tworzyć tzw. biofilm. Jest to skomplikowana architektonicznie organizacja milionów komórek. Tworzy się zarówno na sztucznych powierzchniach, jak np. cewniki, czy naturalnych, jak np. powierzchnia zęba (mowa o kamieniu nazębnym). Komórki, które budują biofilm, dzielą się zadaniami. Te na zewnątrz np. bronią współtowarzyszy przed atakami, a w środku ukrywają się, aby w miarę potrzeb odtworzyć zniszczoną społeczność. Całość wygląda i funkcjonuje trochę jak tkanka.

Naukowcy zbadali biofilm bakterii, która żyje głównie w glebie. Jest saprofitem, czyli organizmem pobierającym energię z rozkładu martwej materii organicznej. Mowa o bakterii Bacillus subtilis, która często wykorzystywana jest przez naukowców jako mikroorganizm doświadczalny.

To też Cię zainteresuje: Canities subita – czy można osiwieć w jedną noc?

Okazało się, że bakterie te, żyjąc w odległości od siebie, komunikowały z sobą, aby rozwiązać kwestie dostępności pożywienia. Mikroorganizmy żyjące w centrum biofilmu okresowo wysyłały wiadomości na obrzeża społeczności. Żyjące tam mikroorganizmy miały być „proszone” o chwilowe zaprzestanie wzrostu, aby składniki odżywcze mogły przeniknąć do środka struktury. Co ciekawe, bakterie żyjące w centrum oczekiwały wówczas glutaninianu – cząsteczki istotnej także dla komórek nerwowych.

Komunikacja między różnymi częściami biofilmu zachodziła tak, jak u komórek nerwowych – była impulsem elektrycznym. Wysyłanie wiadomości było możliwe między innymi dlatego, że bakterie w błonach zawierały także kanały jonowe.

Zastosowanie odkrycia

Według naukowców sposób przekazywania informacji przez mikroorganizmy przypominał tak zwaną rozprzestrzeniającą się depresję korową, która również jest rozchodzącą się w mózgu falą. Od dawna wiadomo, że jest to proces związany z migrenami i epilepsją. Być może odkrycie pozwoli na łatwiejsze badanie tych przypadłości z użyciem bakterii, co znacznie ułatwiłoby pracę. Dodatkowo, jeśli wspomniane choroby mają podobny mechanizm do komunikowania się bakterii, być może leki na nie stosowane mogą pomóc także w walce z drobnoustrojami.

Autor

Mariusz Gogól

Jestem doktorem z zakresu nauk przyrodniczych (doktorat z biochemii), ale swoją ścieżkę zawodową związałem z edukacją i popularyzacją nauki. Jestem związany ze Stowarzyszeniem Rzecznicy Nauki od początku jego działalności, a prywatnie interesuję się sztuką, dizajnem z czasów PRL oraz muzyką ludową z różnych stron świata.

Więcej od tego autora