Svět „mnohobuněčných“ kvasinek

Když r. 1997 Shapiro a Dworkin publikovali knihu Bakterie jako mnohobuněčné organismy, byl výzkum mikrobiální mnohobuněčnosti v počátcích a omezoval se na několik málo modelů (např. na plodnice myxobakterií nebo hlenek, viz Vesmír 72, 276, 1993/5). Většina badatelů v té době pohlížela na mikroorganismy jako na jednotlivá jednobuněčná individua a jiný pohled odmítala. Výzkumná práce v následujících letech však ukázala, že kultivace individuálních buněk v třepaných laboratorních kulturách je spíše artefaktem, který v přírodě nenajdeme. Mikroorganismy v přírodním prostředí dávají naopak jednoznačně přednost mnohobuněčnému způsobu života (příkladem jsou velmi rozšířené biofilmy). Jejich mnohobuněčné struktury mají řadu unikátních vlastností a možností, které jednotlivé mikroorganismy postrádají. Patří mezi ně schopnost signalizovat jak mezi buňkami jedné populace, tak mezi populacemi, synchronizovat změny metabolismu a následně docílit přizpůsobení celé mikrobiální populace změněným podmínkám. Dále schopnost vytvářet specializované buňky fungující ve prospěch celku. Mnohobuněčná populace může například vytvořit strukturu chránící celou populaci, a zvýšit tak své šance na přežití. Tyto schopnosti, jejichž analogie jsou typické pro „normální“ mnohobuněčné organismy (metazoa), ukazují, že mnohobuněčné mikroorganismy se stávají důležitým modelem pro studium procesů dříve přisuzovaných pouze metazoím. Jedním ze zástupců mnohobuněčných mikroorganismů jsou kvasinkové kolonie, jejichž studiem se zabýváme.

Signalizace a koordinace vývoje kolonií kvasinek

základním předpokladem pro přežití jakéhokoliSchopnost přizpůsobit se nepříznivému prostředí a úspěšně čelit hladovění a stresu je organismu. Kvasinkové kolonie pro tyto účely využívají signální systém založený na jednoduchém plynném metabolitu, amoniaku. Poplašný amoniakový signál vyvolá v části koloniální populace změny metabolismu, které umožní efektivněji využít zbytky živin včetně dříve produkovaných odpadů. Pokud se na daném místě vyskytuje více kolonií, amoniak začne produkovat ta kolonie, která jako první pocítila následky poklesu živin v prostředí. Plynný amoniak se rychle šíří vzduchem nezávisle na různých bariérách a ovlivní sousední kolonie, které jej začnou produkovat také (obr. 1). Signál se tak šíří a nakonec produkují amoniak všechny kolonie. Amoniak ovšem spustí i další významné procesy, které vedou k celkové změně metabolismu ovlivněných kolonií. Nově nastartovaný metabolismus umožní části populace kolonie uniknout stresu, který pokles koncentrace živin vyvolává, a pokračovat ve zdravém vývoji. Kolonie, které nejsou schopny produkovat amoniak a aktivovat metabolické změny (což může být způsobeno třeba mutacemi), se nemohou účinně adaptovat a jsou odsouzeny k předčasnému zániku.

„Dělba práce“ v kvasinkové kolonii

Zmínili jsme, že specializace buněk v rámci mnohobuněčných struktur je pro mikroorganismy velmi výhodná. Zmínili jsme také, že amoniak vyvolá metabolické změny důležité pro dlouhodobé přežití populace. Tyto změny se však týkají pouze některých buněk na přesně vymezených místech kolonie. Obvykle to jsou buňky v „perspektivních“ okrajových oblastech, které mají z hlediska dalšího vývoje vyšší šanci na přežití. Naopak buňky ve středu kolonie dobrovolně odumřou a jejich mrtvá těla poskytnou živiny privilegované perspektivní subpopulaci.

Jiným příkladem speciální funkce určitých buněk je tvorba jakési kůžičky na povrchu kolonie. Její buňky jsou těsně propojeny povrchovými proteiny buněčné stěny a chrání kolonii před vnějšími vlivy a průnikem toxických látek.

V různých částech kolonie rovněž existují specializované skupiny buněk, které produkují specifické proteiny. Tato schopnost se odvíjí od jejich umístění v kolonii – a to jak ve směru horizontálním (rozdíly mezi buněčnými subpopulacemi na okraji a ve středu kolonie), tak vertikálním (vzdálenost buněk od povrchu kolonie). V kolonii potom můžeme vidět vrstvy výrazně odlišných buněk (obr. 2).

Mechanismy, které rozrůznění koloniálních buněk řídí, jsou většinou neznámé, stejně jako je často neznámá funkce jednotlivých typů buněk. Je to i z toho důvodu, že přístupy používané pro studium individuálních mikrobiálních buněk nelze obvykle využít pro výzkum diferencovaných mnohobuněčných struktur a je potřeba vyvíjet metody a přístupy nové. Nezastupitelnou roli při studiu těchto struktur hrají moderní techniky využívající fluorescenční proteiny (viz Vesmír 88, 228, 2009/4) a pokročilé mikroskopické techniky, jako je například vícefotonová konfokální mikroskopie (Vesmír 87, 308, 2008/5).

Přírodní a domestikované kvasinky a jejich mnohobuněčné struktury

Kolonie laboratorního kmene kvasinky Saccharomyces cerevisiae (pekařská kvasinka, viz Vesmír 75, 226, 1996/4 a 77, 215, 1998/4) mají na první pohled relativně jednoduchou hladkou strukturu. Z přírody čerstvě izolované kmeny stejného kvasinkového druhu ale vytvářejí rozmanitě strukturované kolonie (obr. 3). Přes tuto rozmanitost je určitá morfologie kolonie charakteristická pro daný kvasinkový kmen a za daných podmínek kultivace. To opět svědčí o tom, že tvorba mnohobuněčných struktur se řídí přesnými pravidly a musí existovat mechanismy, které výstavbu regulují. Ve strukturovaných koloniích (na rozdíl od kolonií hladkých) jsou buňky mezi sebou propojeny a obaleny velkým množstvím mimobuněčného materiálu tvořeného polymerními cukry a bílkovinami. Tato hmota zřejmě pomáhá buňkám uspořádat se do strukturované vrásčité kolonie a přispívá k ochraně buněk žijících uvnitř. Na povrchu buněk strukturovaných kolonií se vyskytují i některé specifické proteiny, které jsou pro tvorbu koloniální struktury nezbytné (např. protein Flo11p).

Schopnost tvořit strukturované kolonie je regulována podmínkami, ve kterých se kvasinky vyskytují. Pokud přírodní kmeny přeneseme do laboratoře, velmi rychle „zdomácní“. To znamená, že některé buňky v populaci změní své chování a začnou vytvářet kolonie hladké, podobné koloniím laboratorních kmenů, které jsou již dlouhodobě zvyklé na laboratorní způsob života. Účinnost domestikace závisí na růstových podmínkách, které přírodním kmenům v laboratoři nabídneme.

Zjednodušeně platí, že domestikace je nejúčinnější na dobrých zdrojích živin, například glukose. Domestikace je spojena s přeprogramováním exprese genů a následnou změnou fyziologie i chování kvasinek v mnohobuněčné struktuře. Mezi nejvýraznější změny patří zastavení produkce mimobuněčné hmoty a proteinů klíčových pro tvorbu strukturované kolonie. Mechanismy, které vyvolávají domestikační proces, i ty, které jej regulují, jsou zatím neznámé.

Studium dalších mikroorganismů, především bakterií a jejich mnohobuněčných struktur ukazuje, že schopnost domestikace je univerzální vlastností mikroorganismů. Lze to dokumentovat i na příkladu struktury kolonií a sporulace bakterie Bacillus subtilis. Její laboratorní kmeny tvoří hladké kolonie a sporulace probíhá v náhodných místech. Naopak přírodní kmeny téhož druhu tvoří kolonie strukturované a spory najdeme ve vymezených místech malých plodniček, které jsou součástí struktury kolonie.

Význam pro člověka

Čtenář se jistě může ptát, k čemu jsou poznatky o mnohobuněčných mikrobiálních společenstvech dobré. Člověk obecně rád řeší hádanky. A proto dnes stejně jako v minulosti chce poznávat obecné principy mnohých jevů, ačkoli nový poznatek nemusí být vždy hned použitelný v praxi. Nové znalosti o chování mnohobuněčných struktur mikroorganismů však mohou přinést i praktický užitek. Mikrobiální biofilmy způsobují v průmyslu často značné problémy. Populace některých kvasinek (např. Candida albicans, Cryptococcus neoformans varieta gattii) vyvolávají u některých jedinců vážné zdravotní problémy. Současné postupy k odstranění těchto mikroorganismů často selhávají, a to především kvůli jejich perfektní obraně před vnějšími vlivy, která je dána i výše uvedenými vlastnostmi. Jak se tedy před těmito mikroorganismy chránit? V první řadě se s nimi musíme co nejlépe seznámit a pochopit mechanismy jejich životních procesů. Teprve pak můžeme navrhnout lepší strategie, jak je zasáhnout na nejcitlivějším místě.