Ekologie bakterií

Na tomto místě je dobré si znovu zopakovat, že se prokaryotní organizmy vyskytují na Zemi přibližně 3,9 miliardy let. Jedná se o skutečně dlouhé období, v průběhu kterého nepřetržitě probíhala evoluce. Ta bakterie formovala a přizpůsobovala je nejroztodivnějším podmínkám. Nepřekvapí tedy, že se s bakteriemi můžeme potkat kdekoli na Zemi a jejich vztahy s ostatními organizmy jsou nesmírně pestré. Mutualizmem počínaje a parazitizmem konče. Schopnost některých bakterií vyvolat onemocnění zkresluje pohled mnoha lidí a omezuje jejich znalost na mizivé procento převážně patogenních bakterií.

V následujícím textu je vybráno několik zajímavých momentů ze života bakterií. Jak se bakterie vyrovnávají s nepřízní osudu, či jak spolupracují v různých společenstvech.

Sporulace

Bakterie se za příznivých okolností množí ohromnou rychlostí. Pokud se podmínky změní, množení se zpomaluje. Mohou však nastat i podmínky, které jsou pro bakterie vyloženě nepříznivé a s jejich životem naprosto neslučitelné. Z toho důvodu si některé bakterie vyvinuly schopnost sporulace, která jim umožní přežít tyto opravdu nepříznivé podmínky. 

Při sporulaci si bakterie vytvoří další kopii svého chromozomu a tuto novou kopii uvnitř buňky obklopí membránou a velmi silnou stěnou. Vzniklý útvar se nazývá endospora (vzniká vlastně uvnitř mateřské buňky). Bývalá mateřská buňka zaniká a zůstává pouze endospora, která je velice odolná vůči vnějším podmínkám. Pakliže se podmínky opět změní k lepšímu, endospora spustí metabolickou aktivitu a opět se změní na vegetativní buňku.

VBNC

Řada bakterií má ještě jednu životní strategii na přežití nepříznivých podmínek. V češtině existuje termín polomrtvý. Zde by se ale více hodil opačný termín – položivý. 

VBNC je zkratka anglického Viable But Non Culturable (živý ale nekultivovatelný). Jedná se o fyziologický stav, kdy bakterie sníží svůj metabolizmus na minimum a v žádném případě se nemnoží. Nicméně může za jistých okolností přejít z tohoto spánku zpět do normálních životních funkcí. Je-li bakterie ve stavu VBNC zmenší svou velikost a není zachytitelná běžnými mikrobiálními technikami. Může být následně přehlédnuta při hygienických testech, například při testování pitné vody.

Biofilm

V přírodě nežijí jednotlivé druhy bakterií samy. V každém prostředí nalézáme různě komplikovaná společenstva a jedno z významných společenstev je právě biofilm.

S biofilmem se setkáváme především ve vodném prostředí, kdy se ve vodném sloupci vyskytuje zpravidla méně živin než na površích. Bakterie, které jsou přítomné v biofilmu, běžně žijí i ve vlastním vodním sloupci. Tyto bakterie označujeme jako planktonní. Zpravidla vypadají jinak, mají většinou bičíky a mohou mít i jiný tvar. Přilnou-li však k povrchu, změní se její chování i fyziologie.

Bakterie na povrchu vytvoří extracelulární prostorovou síť z různých polymerů, uvnitř které se začnou množit. V biofilmu nežijí pouze bakterie, ale najdeme tu i jiné organizmy, například protista. Biofilm je některými odborníky přirovnáván ke tkáním živočichů.

Bakterie tvořící společenstvo biofilmu mají mezi sebou mnohem těsnější vztahy nežli bakterie planktonní. Z toho důvodu se mezi nimi častěji vyskytuje horizontální přenos genetické informace a tím pádem mohou vznikat nové bakteriální klony rezistentní proti antibiotikům. Například zubní plak je jeden z typů biofilmu. Biofilm také bakterie účinně chrání před různými predátory, před imunitním systémem a také před antibiotiky.

Střevní mikrobiom

Pokud člověk prodělá razantní léčbu antibiotiky, můžou se u něho následně objevit trávicí problémy. V tomto případě antibiotika nezničila pouze bakterie, kvůli kterým byla nasazena, ale i bakterie uvnitř našeho trávicího (gastrointestinálního) traktu. Teprve v tuto chvíli si člověk uvědomí, že ke spokojenému životu potřebuje ještě další organizmy.

Naše tlusté střevo hostí 1013 – 1014 bakterií, přičemž se odhaduje, že naše tělo je tvořeno přibližně z 1013 buněk. Bakterie tedy až desetkrát převyšují svým počtem buňky našeho těla. Tyto bakterie jsou nezbytné pro správný průběh trávení a jejich absence vede k velkým potížím. Některé typy těchto potíží jsou v současné době zdárně léčeny transplantací stolice.

Střevní mikrobiom je k nalezení nejspíše u všech živočichů, přičemž někteří by se bez něj už vůbec neobešli. Například termitům a švábům pomáhají symbionté trávit celulózu a o kravích předžaludcích by se také dalo hodně napsat.

Bakterie střevního mikrobiomu kolonizují trávicí trakt hned po porodu. Jak rodící se miminko prochází porodními cestami, je jeho sterilní tělíčko ihned kolonizováno matčinými bakteriemi. Ty se takřka okamžitě přesouvají do trávicího traktu a zde se v prvním roce života ustaluje vztah mezi mikroorganizmy a naším tělem. Především si na sebe musí zvyknout s imunitním systémem.

Endosymbióza

Endosymbióza je jev, kdy jedna buňka pohltila jinou buňku a místo toho, aby ji strávila, žije pohlcená buňka ve vnitřním prostředí hostitele. Tento stav je pro oba organizmy výhodný. Nejznámějším příkladem je přítomnost mitochondrií a chloroplastů v eukaryotických buňkách.

Tento nejznámější příklad není jediný. Především u hmyzu, který saje sladké rostlinné šťávy (mšice, molice, červci…), se dají v jejich buňkách často najít endosymbiotické bakterie. Ty svému hostiteli dodávají například některé aminokyseliny, jež by ze své na proteiny chudé potravy nezískal. Tyto bakterie prodělávají podobný proces jako svého času mitochondrie. Dochází k redukci jejich genomu, protože se geny stěhují do jádra hostitelské buňky. Redukce genomu bývá rozsáhlá. Ze známých buněk mají tyto bakterie zdaleka nejmenší genom (112 000 párů bází) a nejsou již schopny samostatného života. Mohou žít pouze v buňkách hostitelského organizmu.

Stromatolity

Stromatolity jsou komplikovaná mikrobiální společenstva známá především z fosilního záznamu. S pojmem stromatolit přišel roku 1908 geolog Ernst Kalkowsky (1851–1938). Tehdy popsal zkamenělé bochníkovité útvary ze spodního triasu, přičemž správně usoudil, že tyto útvary vznikly činností mikroorganizmů. V první polovině dvacátého století bylo nalezeno velké množství stromatolitů z nejrůznějších koutů světa, a také s nejrůznějším stářím. Velké překvapení přinesl rok 1961, kdy byly popsány živé stromatolity ze Žraločí zátoky v západní Austrálii. Tyto stromatolity byly úplně stejné jako jejich zkamenělí předci. Jedná se o kamenné bochníky velikosti od centimetrů po metry s naprosto charakteristickou vrstevnatou strukturou. Vrstevnatost zajišťují tři různé mikrobiální gildy (společenstva).

Rozeznáváme vláknité sinice, běžné heterotrofní bakterie a vrtavé sinice. Posledně jmenované žijí v kameni a svou činností rozrušují povrch stromatolitu.  Jednotlivé gildy se pravidelně střídají, přičemž každé společenstvo přidá vlastní charakteristickou vrstvičku a stromatolit pomalu roste.

Pro všechny současné klasické stromatolity je typická přítomnost sinic a předpokládá se, že tomu tak bylo i u stromatolitů fosilních. Je tu však jeden problém. Zatím nejstarší nalezený stromatolit je z horniny jejíž stáří bylo určeno na 3,7 miliardy let. Následný výzkum potvrdil jeho biogenní původ, ale přítomnost sinic se pouze předpokládá, a ne každý odborník s tímto závěrem souhlasí. Problémem je nesmírná komplikovanost celé fotosyntézy charakteristické pro sinice. Zdá se, že od vzniku života (-3,9 mld let?) ke vzniku stromatolitů neuběhlo dostatek času na zformování tak složitého metabolismu, jakým sinice disponují.

Antibiotika

Zatím jsme si uváděli pouze příklady, jak spolu mohou bakterie a jiné organizmy spolupracovat. Některým druhům však spolupráce nevyhovuje a ostatní považují za konkurenci. Jednou z možností, jak konkurenci zlikvidovat, je produkce antibiotik.

Antibiotika jsou látky, které zabíjejí ostatní bakterie (popřípadě pouze zpomalují či zastavují růst). Pojem antibiotikum je ale velmi obecný. Tyto látky produkují nejrůznější organizmy. Například první antibiotikum objevené Alexanderem Flemingem (1881 – 1955) je produkováno vřeckovýtrusou houbou rodu štětičkovec (Penicillium). 

Antibiotika jsou látky, působící především proti bakteriím. Tyto látky cílí na různé bakteriální struktury či enzymy. Například asi nejznámější antibiotikum penicilin zamezuje výstavbě bakteriální buněčné stěny a další antibiotikum tetracyklin (produkovaný Gram pozitivními streptomycéty) blokuje bakteriální ribozom. Důležitým jevem spojeným s produkcí antibiotik je také vlastní ochrana před jeho působením. Vypouštím-li do okolního prostředí jedy, měl bych být proti nim odolný neboli rezistentní.

Od Flemingova objevu se antibiotika stala nedílnou součástí humánní medicíny a zdálo se, že boj proti bakteriálním infekcím je v zásadě dobojován. Situace se však začala komplikovat s objevem výše zmíněné bakteriální rezistence.

O bakterii, na kterou antibiotikum nezabírá, mluvíme jako o rezistentní bakterii, popřípadě rezistentním klonu. Bakterie mají široký arzenál protizbraní. Mohou aktivně pomocí membránových přenašečů pumpovat antibiotika z buňky ven. Další rozšířenou strategií je modifikace cílového místa pro antibiotikum. Obvykle je na toto místo navázána malá molekula, která nevadí funkci enzymu či organely, ale zabrání vazbě antibiotika.

Látky, které mají tyto ochranné mechanizmy v bakteriích na starosti, jsou bílkoviny, což znamená, že pro ně musí existovat geny. Tyto geny mohou být uloženy na chromozomech, nicméně velké množství se jich nachází na plazmidech. A zde se ukrývá kámen úrazu. Plazmidy si mezi sebou dokáží bakterie předávat horizontálním genovým přenosem. Ve druhé polovině dvacátého století masivní a nezodpovědné nadužívání antibiotik vedlo k tvorbě rezistentních klonů. Tyto klony navíc, zpravidla v nemocničním prostředí, dokázaly své antibiotikální rezistence předávat i jiným druhům bakterií. K dovršení všeho se začaly objevovat tzv. multirezistentní klony – bakterie rezistentní k většímu množství různých antibiotik. Odborníci se v současné době obávají masivního rozšíření multirezistence a návratu předflemingovského období. Lidé by opět ve velkém umírali na dnes bezproblémové bakteriální infekce.

V současné době je známo přibližně 700 antibiotik, ale pro humánní léčbu se používá nejvýše 70. Některá antibiotika totiž nejsou jedovatá pouze pro bakterie, ale i pro člověka. Většina antibiotik, která se běžně používají, jsou více jak padesát let stará a nová antibiotika se prakticky nevyvíjejí. Farmaceutickým firmám se v tuto dobu vývoj nových antibiotik nevyplatí a za posledních dvacet let byl vyvinut přibližně jeden nový typ antibiotika. Lidé v posledních letech začínají sázet spíše na fágovou léčbu (více v oddíle viry v kapitole Fágová léčba), která by byla mnohem levnější.

Shrnutí

Bakterie žijí v nejrůznějších prostředích a z toho důvodu jsou také jejich vztahy s okolím nesmírně pestré. Bakterie se naučily nejen přečkávat nepříznivá období (sporulace, VBNC), ale také spolupracovat na mnoha úrovních. Dobrým příkladem takové mikrobiální spolupráce je biofilm a příkladem spolupráce mezi mikroorganizmy a mnohobuněčným organizmem je například střevní mikrobiom. Významným procesem je v neposlední řadě endosymbióza (bakterióm, mitochondrie, chloroplast). Těchto několik příkladů je pouze špičkou ledovce nepřeberného množství vztahů, které bakterie v přírodě zastávají.