Znaczenie i rola bakterii w medycynie

i biotechnologii

- 1 -

Bakterie są niewielkimi organizmami, które występują prawie wszędzie. Zazwyczaj

nie zdajemy sobie sprawy z ich obecności, niekiedy jednak nie budzi ona

wątpliwości — rany ulegają zakażeniom, mleko "kwaśnieje", mięso „psuje się".

Bakterie są bardzo małe. O ich istnieniu nie wiedziano aż do momentu wynalezienia

mikroskopu w XVII wieku.

W większości przypadków bakteria jest pojedynczą, autonomiczną komórką.

Ma ona budowę prokariotyczną, która znacznie odbiega od organizacji komórek

eukariotycznych zwierząt i roślin.

Eukarioty prawdopodobnie pojawiły się około 2-3, 5 miliarda lat temu, jedna z hipotez zakłada, że wywodzą się one ze związków symbiotycznych o podłożu energetycznym, do

których doszło pomiędzy dwoma rodzajami komórek prokariotycznych.

Bakterie zalicza się do kategorii „mikroorganizmów". Grupa ta, oprócz bakterii,

obejmuje kilka odmiennych typów organizmów — glony, grzyby, porosty,

pierwotniaki, wirusy. Wynika stąd, że wszystkie bakterie są mikroorganizmami,

lecz nie wszystkie mikroorganizmy są bakteriami.

Ważnym powodem jest walka z chorobami. Bakterie wywołują kilka poważnych

oraz wiele mniej groźnych chorób. Zapobieganie tym chorobom oraz ich zwalczanie

zależy w znacznym stopniu od wysiłku bakteriologów specjalizujących

się w medycynie, weterynarii oraz rolnictwie. Bakterie patogenne stanowią jedynie

niewielki procent wszystkich bakterii. Większość bakterii powoduje niewielkie

szkody, bądź nie wyrządza ich wcale. Wiele z nich jest dla nas pożytecznych.

Niektóre bakterie, na przykład, wytwarzają antybiotyki, które zrewolucjonizowały

medycynę, podczas gdy inne dostarczają enzymów np. do „biologicznych"

proszków do prania. Jeszcze inne wykorzystuje się jako „mikrobiologiczne

insektycydy" — chroniące plony przed działaniem pewnych owadów —

szkodników. Bakterie znalazły też zastosowanie do wytwarzania tworzyw sztucznych,

które ulegają biodegradacji, a także ługowania metali z ubogich rud lub trudno poddających się procesom metalurgicznym.

Być może wyda się to dziwne, ale bakterie wykorzystuje się powszechnie

w przemyśle spożywczym. Gdy mowa o żywności, bakterie zwykle

źle się kojarzą, przyczyniają się bowiem do jej psucia się oraz powodują zatrucia

pokarmowe. Jednak niektóre rodzaje bakterii uczestniczą w produkcji żywności.

Na przykład, przy wytwarzaniu masła, sera i jogurtu pewne bakterie dokonują

przemiany cukru zawartego w mleku (laktozy) na kwas mlekowy. Bakterie

wytwarzają także związki, które nadają tym produktom charakterystyczny

smak. Ksantan, wytwarzany przez niektóre szczepy bakterii, jest wykorzystywany

jako środek żelujący i zagęszczacz w przemyśle spożywczym. Również

ocet winny jest produkowany z alkoholu (etanolu) dzięki działalności bakterii.

Bakterie stosuje się także w produkcji kakao i kawy.

Bakterie (i ich składniki) są bardzo ważne w medycynie, przemyśle i rolnictwie. Jednym

z przykładów wykorzystania rekombinacyjnej technologii DNA jest produkcja takich czynników jak streptokinaza (stosowana np. w leczeniu zakrzepicy).

Bakterie odgrywają znaczącą rolę w naturalnych cyklach krążenia materii, które ostatecznie są podstawą całego życia biologicznego. Bakterie glebowe wpływają na żyzność i strukturę gleby, co ma olbrzymie znaczenie dla rozwoju rolnictwa. Poznanie sposobów funkcjonowania tych organizmów pozwoli lepiej gospodarować gruntami i zbiorami.

Zastosowanie w medycynie

Wiele bakterii ma zastosowanie w medycynie. Wytwarzają one substancje hamujące rozwój konkurencyjnych bakterii tzw. antybiotyki, które wykorzystywane są w leczeniu wielu zakażeń bakteryjnych. Najważniejszą grupą bakterii pod względem produkcji antybiotyków są promieniowce wytwarzające streptomycynę i tetracyklinę. Niektóre bakterie wykorzystuje się do produkcji węglowodanu dekstranu, który stanowi podstawę płynu krwiozastępczego.
Bakterie mają wielkie znaczenie w badaniach biologicznych, oraz w inżynierii genetycznej. Są bowiem źródłem enzymów restrykcyjnych służących do przecinania obcych cząsteczek DNA w ściśle określonych miejscach. W naturze enzymy te wykorzystywane są do cięcia DNA bakteriofagów, lecz w inżynierii genetycznej wykorzystuje się je do cięcia cząsteczek DNA różnych organizmów celem wyizolowania i sklonowania odpowiednich genów.
Krótko mówiąc bakterie, którym wstawi się do komórek geny odpowiedzialne za wytwarzanie określonego białka ludzkiego lub zwierzęcego stają się „fabrykami” tego białka. Niektóre bakterie w naturze powodujące choroby roślin wykorzystywane są przez inżynierów genetycznych do przenoszenia genów z jednych roślin na drugie w celu otrzymania nowych odmian o korzystnych z punktu widzenia człowieka właściwościach. Niektóre szczepy Eschelichia coli wykorzystuje się do produkcji insuliny. Obecnie naukowcy prowadzą badania nad wykorzystaniem bakterii do produkcji szczepionki przeciwko wirusowi HIV.
Nie wszystkie bakterie są jednak tak pożyteczne. Niewielki ich procent wywołuje mniej lub bardziej groźne choroby roślin, zwierząt i człowieka.

Bakterie jako patogeny

Źródłem niektórych chorób są „błędy" w chemii organizmu, lecz w wielu przypadkach objawy chorobowe wynikają z działalności pewnych drobnoustrojów lub produktów przez nie wytwarzanych na powierzchni lub wewnątrz organizmu; każdy drobnoustrój, który (w sprzyjających warunkach) może powodować chorobę, zwany jest patogenem. Wśród wielu chorób wywołanych przez drobnoustroje, pewne są wywoływane przez grzyby, inne przez wirusy, jeszcze inne przez pierwotniaki, a niektóre przez bakterie. W niektórych chorobach związek między objawami a patogenem jest wysoce swoisty: daną chorobę może wywołać tylko odpowiedni gatunek lub nawet określony szczep należący do tego gatunku. Wąglik, na przykład, powodowany jest jedynie przez pewne szczepy Bacillus anthracis; szczepy te zawierają plazmidy, które kodują toksynę (cyklaza adenylanowa) oraz otoczkę chroniącą patogena. W innych wypadkach przyczyną choroby może być jeden z wielu czynników; przykładem jest zgorzel gazowa, którą wywołuje jeden lub więcej różnych gatunków Clostridium.

Czasami choroba powodowana jest przez organizm zwykle nie zachowujący się jak patogen i który może nawet należeć do własnej mikroflory organizmu. Na przykład, niektóre gatunki Bacteroides, często występujące w jelicie, mogą czasem, po przypadkowym urazie lub ingerencji chirurgicznej obejmującej dolną część przewodu pokarmowego, powodować zapalenie otrzewnej. Tego typu organizmy zwane są patogenami oportunistycznymi.

Tworzywa pochodzenia bakteryjnego - Biopol

Materiałem zapasowym bakterii jest polimer poli-β-hydroksymaślan (PHB, ang. polyhydroxybutyrate). Ta naturalna substancja jest materiałem wyjściowym dla wielu tworzyw termoplastycznych podlegających biodegradacji („Biopol", nazwa handlowa firmy Zeneca, Wielka Brytania). Homopolimer (PHB) jest wytwarzany w odpowiednich warunkach hodowli, gdy Alcaligenes eutrophus korzysta z glukozy jako jedynego źródła węgla. Jeśli podłoże uzupełni się odpowiednimi składnikami, bakteria ta wytwarza kopolimer złożony

z hydroksymaślanu i hydroksywalerianianu. Kontrola składu podłoża wpływa na proporcję obu składników w polimerze. Polimery (albo PHB, albo kopolimer) tworzą wewnątrzkomórkowe ziarenka, które podlegają oczyszczeniu do postaci

drobnego, białego proszku.

Biopol może być wykorzystany do produkcji pojemników, form, włókien i warstw powierzchniowych oraz obrabiany w procesach wydmuchiwania i wstrzykiwania. Stabilny

w czasie normalnego użytkowania, wykorzystany — po odpowiednim potraktowaniu — jest w pełni degradowalny.

Bioremediacja

Termin bioremediacja oznacza biotechnologiczne (z udziałem drobnoustrojów) usuwanie zanieczyszczeń ze środowiska. Drobnoustroje są wysoce zróżnicowane metabolicznie,

tak że, przynajmniej teoretycznie, każde zanieczyszczenie typu organicznego powinno dać się zdegradować dzięki odpowiedniemu doborowi drobnoustrojów. Ponadto, mikrobiologiczna degradacja zanieczyszczeń potencjalnie prowadzi do prostych związków nieorganicznych, jak CO2 i woda, podczas gdy inne formy technologiczne (np. dekontaminacja metodami fizycznymi) może po prostu spowodować przeniesienie problemu z jednego miejsca

w inne. Jednakże, podczas gdy metody fizyczne są zazwyczaj szybkie, a ich przebieg najczęściej przewidywalny, metody biologiczne często mogą mieć nieznany, nieprzewidywalny czy też niewymierzalny wpływ na środowisko. Na przykład biodostępność czynnika zanieczyszczającego, to jest jego dostępność dla populacji drobnoustrojów, może być zmniejszona w wyniku jego adsorpcji do składników gleby, a to może ograniczyć lub nawet wykluczyć bioremediację. W celu powszechniejszego zaakceptowania bioremediacji, należy wykazać, że jest ona skuteczna i niezawodna w środowisku.

Biokopalnictwo (bioługowanie)

Od wielu lat bakterie chemolitotroficzne (gatunki np. Thiobacillus) stosowano na skalę przemysłową w celu wydobywania (ługowania) niektórych metali z ubogich rud. Dziś takie biokopalnictwo (zwane też biogórnictwem, lub bioługowaniem) ma jeszcze większe znaczenie w związku z wyczerpaniem się zasobów niektórych bogatych rud. Szacuje się,

że roczne odzyskiwanie miedzi metodami mikrobiologicznymi przekracza 1 milion ton. Miedź można odzyskać np. z ubogich rud zawierających chalkopiryt (CuFeS2). Jedna ze stosowanych metod polega na recyklicznym przepuszczaniu roztworu z kwasem siarkowym przez pokruszoną rudę z zawartymi w nim bakteriami chemolitotroficznymi. Żelazo (Fe2+) wypłukiwane z rudy jest utleniane przez bakterie do Fe3+, co prowadzi do powstania żelaza rozpuszczonego.To powoduje wypłukiwanie siarki, która jest utleniana do siarczanu. Leptospirillum ferrooxidans (utleniacz żelaza) i Thiobacillus thiooxidans (utleniacz siarki) mogą przeprowadzać te procesy. Pożywkę dla bakterii stanowi albo stosowany w procesie płyn wymywający, albo sama ruda. Z materiału wyługowanego usuwa się periodycznie miedź (do 5 gramów na litr) — stosując np. elektrolizę. Metabolizujące bakterie utrzymują temperaturę około 40-50°C, a konwekcja powietrza zabezpiecza niezbędne warunki tlenowe.

Ługowanie miedzi przy bardzo niskim pH, korzystne, gdyż zapobiega precypitacji Fe3+, uzyskuje się stosując odpowiednie szczepy Thiobacillus thiooxidans i Leptospirillum ferrooxidans. W celu oznaczenia bakterii przeprowadzających ługowanie bada się region DNA zawarty między genami dla 16S i 23S rRNA. DNA potrzebny do badań ekstrahuje się

z substancji wyługowanych. Z badań nad przemianami siarki w procesie ługowania wynika, że biologiczne wypłukiwanie pirytu przebiega w sposób cykliczny, a produkty rozkładu zwierają tiosiarczany i politioniany. Jony żelazowe (Fe3+), wytwarzane w wyniku utleniania jonów Fe2+ przez bakterie, odgrywają aktywną rolę zarówno w utlenianiu pirytu, jak

i tiosiarczanów. Metabolizm litotroficznych bakterii przeprowadzających ługowanie utrzymuje stały poziom tych jonów. W ostatnich latach zastosowano bioługowanie, między innymi w Afryce Południowej, Brazylii i Australii, jako podstawową metodę wydobywania złota

z tzw. ubogich rud arsenopirytowych. Z tego typu rud wypłukiwanie złota metodami zwykle stosowanymi, to jest za pomocą cyjanków, nie jest możliwe, gdyż piryt i arsenopiryt zawarte

w rudzie chronią złoto przed cyjankami. Rozkruszona ruda jest poddawana działaniu bakterii, a arsenopiryt (FeAsS) podlega upłynnieniu przez utlenianie (do FeAsO4 i H2SO4), odsłaniając złoto, które wydobywa się traktując cyjankami. Złoto oddziela się z kompleksu

z cyjanem, przez adsorpcję na węglu. Płyn pozostały po ługowaniu może być oczyszczony przez bakterie, cyjanki — utlenione do dwutlenku węgla i mocznika, a mocznik utleniony do

azotanu.

Oczyszczanie ścieków

Ścieki zawierają zarówno zanieczyszczenia z mieszkań i domów (tzw. Ścieki komunalne,

z urządzeń sanitarnych), jak również pochodzące z działalności przemysłowej i rolniczej.

W ich skład wchodzą zawiesiny, substancje rozpuszczone i koloidalne. Ścieki zrzucone do rzek i jezior mogą wywierać różnorakie, szkodliwe działania. Mogą na przykład stać się źródłem infekcji, np. cholery. Inny ważny problem stanowią związki organiczne w ściekach. Bakterie, znajdujące się w dużych ilościach w ściekach, metabolizują substancje organiczne, szybko wykorzystując dostępny tlen na obszarach wodnych, szczególnie w wodach nieruchomych lub wolno płynących. Oznaczać to może śmierć ryb i innych zwierząt, dla których tlen jest niezbędny. Powstające warunki beztlenowe umożliwiają wzrost bakterii redukujących siarczany oraz innych organizmów, których produkty metabolizmu zawierają siarczki i inne trucizny. Podstawowe cele oczyszczania ścieków to, po pierwsze— wyeliminowanie lub zmniejszenie liczby drobnoustrojów patogennych, po drugie zmniejszenie zużywania tlenu przez ścieki, to jest zmniejszenie biologicznego zapotrzebowania tlenu w ściekach.

Bakteria E. coli

Bakteria Leptospiry

---