Svet bez molekulového kyslíka

Väčšina živých organizmov, vrátane mikroorganizmov, patrí medzi takzvané striktné aeróby, ktoré pre optimálny priebeh svojich fyziologických funkcií potrebujú stály prívod kyslíka. Tento striktne aeróbny svet žije v obrovskom vzdušnom oceáne, ktorý obsahuje okolo 21 % kyslíka pochádzajúceho z fotosyntetickej aktivity rastlín a fotosyntetizujúcich mikroorganizmov.

Existuje však aj iný, anaeróbny svet, ktorý si často ani neuvedomujeme, hoci je prítomný takmer všade, aj v našom bezprostrednom okolí, a dokonca aj v nás. Množstvo kyslíka je v tomto svete omnoho nižšie ako vo svete aeróbnom. Mikroorganizmy žijúce vo svete bez kyslíka nielenže molekulový kyslík nepotrebujú, ale naopak, pre mnohé môže byť toxický. Väčšina anaeróbnych ekosystémov je „kŕmená“ produktami aeróbneho sveta – materiálom pochádzajúcim prevažne z odumretých rastlinných a živočíšnych tiel. Za anaeróbnych podmienok je tento materiál rozložený najskôr fermentujúcimi baktériami, ktoré odbúravajú makromolekuly (polysacharidy, bielkoviny, nukleové kyseliny a iné látky s vyššou molekulovou hmotnosťou) na menšie molekuly – sacharidy, aminokyseliny, bázy nukleových kyselín, mastné kyseliny a iné. Vzniknuté, väčšinou rozpustné látky sa potom transportujú do buniek anaeróbov, kde sú ďalej fermentované za uvoľňovania energie potrebnej pre ich rast.

Anaeróbny svet, hoci je mimoriadne mnohotvárny, ostával veľmi dlho nepoznaný. Prvý, kto objavil anaeróbny spôsob života u mikroorganizmov, bol geniálny francúzsky mikrobiológ a chemik Louis Pasteur, ktorého sté výročie úmrtia sme si prednedávnom pripomenuli. Vďaka jeho objavnej práci, na ktorú nadviazali stovky mikrobiológov a biochemikov, boli vyvinuté laboratórne techniky a metódy práce, ktoré umožnili pestovať mikroorganizmy za anaeróbnych podmienok. Bol to on, kto vyvinul techniky na odstránenie rozpusteného kyslíka z vodných rastových médií pre anaeróbne mikroorganizmy. Pre tento účel využil var rastového média, pri ktorom dochádza k vypudeniu rozpusteného kyslíka. Ako prvý začal pre anaeróbnu kultiváciu mikroorganizmov používať vákuovú pumpu, pomocou ktorej odsal vzduch z uzatvorenej banky a nahradil ho iným plynom s nižším obsahom kyslíka. Zaviedol tiež techniku využitia aeróbneho organizmu na odstránenie kyslíka z rastového média, s následným kultivovaním striktného anaeróba v takomto kyslíka dokonale zbavenom prostredí. Vyriešil problém pozorovania striktných anaeróbov pod mikroskopom a mnohé ďalšie problémy, ktoré dovtedy bránili práci s týmito mikroorganizmami. V náväznosti na jeho pioniersku experimentálnu činnosť sa do práce s najstriktnejšími anaeróbnymi mikroorganizmami postupne vniesli nové sofistikované experimentálne zariadenia a postupy (čistenie priemyselných plynov od stôp kyslíka, anaeróbne boxy, anaeróbne laboratóriá a fermentory – zariadenia na kultiváciu mikroorganizmov za kontrolovaných podmienok), ktoré umožňujú kultiváciu týchto mikroorganizmov vo veľkých množstvách a otvárajú tak možnosti pre štúdium ich fyziológie a biochémie. Treba však poznamenať, že aj napriek týmto možnostiam ešte dnes prevláda medzi mikrobiológmi a biochemikmi určitá nechuť pracovať so striktne anaeróbnymi mikroorganizmami. Táto činnosť je stále finančne, časovo i priestorovo výrazne náročnejšia ako práca s aeróbnymi mikroorganizmami.

Poznávanie anaeróbnych mikroorganizmov nemôžeme ani v dnešnej dobe považovať za akúsi extravaganciu mikrobiológov, bakteriológov a biochemikov, ktorí sa už nasýtili prácou s aeróbmi. Štúdium anaeróbov rozširuje naše poznatky o všeobecnej schopnosti mikroorganizmov využívať pre svoj rast všetky prírodné látky a skoro všetky organické látky vytvorené človekom. Anaeróby tvoria podstatnú časť potravinového reťazca, sú esenciálnou súčasťou tráviaceho aparátu prežúvavcov a iných živočíchov vrátane človeka. Sú zodpovedné za udržiavanie nášho životného prostredia. Navyše spôsobujú mnohé vážne onemocnenia v rastlinnej a živočíšnej ríši, ľudí nevynímajúc.

Prečo je kyslík pre anaeróby toxický?

Rôzne anaeróby majú ku kyslíku rôznu citlivosť. Pre extrémne anaeróby je kyslík toxický už v koncentrácii nad 0,1 %. Napríklad metanogény sú citlivé už ku stopám kyslíka v rastových médiách a pre svoj rast vyžadujú extrémne nízky oxidoredukčný potenciál, ktorý možno vytvoriť prídavkom silných redukčných činidiel do rastových médií. Menej citlivé anaeróby, napríklad Clostridium sporogenes, dokážu tolerovať až 10% koncentráciu kyslíka v prostredí. Najmenej citlivé anaeróby tolerujú až 20percentnú koncentráciu kyslíka.

V čom spočíva citlivosť anaeróbov ku kyslíku? Kyslík vo svojom základnom stave patrí medzi slabé oxidačné činidlá, pretože obsahuje dva periférne elektróny s nespáreným spinom. Preto jeho priame reakcie s organickými látkami sú podľa Pauliho princípu „spinovo zakázané“. Našťastie, pretože v opačnom prípade by bolo v prírode všetko zoxidované. Mimoriadne reaktívne sú však niektoré deriváty kyslíka, napríklad superoxidový radikál (O₂^–), peroxid vodíka (H₂O₂) a hydroxylový radikál (HO.), ktoré poškodzujú lipidy, DNA, bielkoviny a sacharidy. Aeróbne organizmy si v priebehu evolúcie vyvinuli mechanizmy, ktoré dokážu škodlivé pôsobenie týchto zlúčenín z veľkej časti eliminovať (viď článok Petra Kaplána a Jána Lehotského, Vesmír 76, 313, 1997/6). Keďže anaeróbom tieto mechanizmy chýbajú, alebo sú u nich nedokonalé, kyslík a jeho deriváty môžu byť pre ne nebezpečné. Okrem toho existujú v bunkách anaeróbov mnohé ďalšie ciele, ktoré môžu byť aktívnym kyslíkom atakované. Najčastejšie sú to niektoré zvláštne a pre stirktné anaeróby často veľmi špecifické koenzýmy. Tento problém zostáva u mnohých anaeróbov doposiaľ nejasný a musíme skromne pripustiť, že v otázke toxicity kyslíka u anaeróbov sme od čias Pasteura veľmi nepokročili. Vzhľadom k obrovskej rozmanitosti anaeróbov, druhovým odlišnostiam v ich fyziológii a biochémii je mimoriadne náročné nájsť akýsi jednotiaci princíp, ktorý by umožnil zovšeobecniť aspoň ich najzákladnejšie vlastnosti. Základný názor modernej biochémie je, že fyziológia organizmov síce varíruje, ale ich metabolizmus je principiálne rovnaký. Toto konštatovanie by mohlo platiť aj pre anaeróby, a to aj napriek tomu, že sa u mnohých podarilo objaviť neobvyklé bunkové komponenty a metabolické dráhy. Zdá sa však, že ide len o variácie na jednotnú tému.

Pozitíva a negatíva činnosti anaeróbnych mikroorganizmov

Hnacia sila nášho poznávania má okrem akademického aspektu – snahy veciam porozumieť, aj utilitárny aspekt – snahu niečo získať.

Vydáme sa na malú exkurziu do sveta neakademického, do sveta, ktorý prináša újmu, ale aj úžitok, do sveta, ktorý nie je z hľadiska estetického cítenia moderného človeka obzvlášť príjemný, pretože je často špinavý a s prepáčením aj páchne. Na druhej strane aj vďaka nemu je zabezpečená naša existencia na Zemi.

V súčasnosti je jednou z najdôležitejších aplikácií anaeróbnej mikrobiológie likvidácia priemyselných, pôdohospodárskych a komunálnych odpadov. V minulosti bol tento problém jednoducho riešený nariedením odpadu v potokoch a riekach, kde bol odpad organického pôvodu zlikvidovaný kooperáciou v prírode sa vyskytujúcich aeróbnych a anaeróbnych bakteriálnych zoskupení. V dnešnej dobe je tento proces prirodzenej mineralizácie prenesený do čističiek, kde je odpad odbúraný prostredníctvom rôznych mikroorganizmov rýchlejšie a za kontrolovaných podmienok. V rámci takýchto anaeróbnych procesov vznikajú mnohé veľmi nepríjemné a zapáchajúce organické nitro- a sírne zlúčeniny spolu so sírovodíkom a amoniakom. Voda zo studní, nachádzajúcich sa v blízkosti čističiek môže zapáchať z tohoto dôvodu. Vďaka spolupráci mnohých anaeróbov vzniká v čističkách ako koncový produkt aj metán, ktorý je využiteľný ako palivo.

Ďalším miestom výskytu širokého spektra anaeróbov je zažívací trakt živočíchov, a to počnúc hmyzom a končiac človekom. Z tohoto hľadiska sú zaujímavé najmä predžalúdky polygastrických zvierat, kde si zvláštnu pozornosť zasluhuje bachor prežúvavcov – kravy, ovce, ale aj ťavy. Aby tieto zvieratá mohli prijať rastlinnú potravu, „zamestnávajú“ vo svojich bachoroch variabilnú zmes anaeróbnych mikroorganizmov, ktoré premieňajú látky obsiahnuté v rastlinnej potrave na prchavé mastné kyseliny (kyselinu octovú, propionovú, maslovú).

Každý z nás nepochybne počul o silážovaní a kompostovaní. Pri kompostovaní vďaka spolupráci aeróbnych a anaeróbnych mikroorganizmov dochádza k rozkladu organických látok za vzniku kvalitného hnojiva. Podobne proces silážovania je založený na prírodnom anaeróbnom skvasovaní rastlinnej hmoty, pri ktorom baktérie mliečneho kvasenia fermentujú vo vode rozpustné sacharidy na kyselinu mliečnu a niektoré ďalšie produkty. Vzniknutá kyselina mliečna a znížené pH (3,8 – 5,0) zbytok rastlinnej masy konzervujú na nutrične hodnotné krmivo. Prístup vzduchu do silážnej zmesi znižuje jej kvalitu, pretože jeho prítomnosť inhibuje rast anaeróbov a podporuje množenie aeróbnych mikroorganizmov. Je priam neuveriteľné, že takýmto spôsobom sa len v západnej Európe a v USA pripravuje až 200 miliónov ton siláže ročne.

Pre zmenu si pripomeňme, že anaeróbne mikroorganizmy nám pripravujú mnohé chutné poživatiny. Za tvorbu piva a vína, ale aj destilátov vďačíme hlavne kvasinkám z rodu Saccharomyces. Jogurt vzniká pôsobením baktérií Streptococcus thermophilus a Lactobacillus bulgaricus. Syry nám kvasia najmä baktérie z rodov Streptococcus, Lactobacillus, Propionibacterium a pod.

Okrem tvorby potravín je aktivita anaeróbnych mikroorganizmov využívaná v chemickom priemysle pri výrobe takých dôležitých chemikálií, ako sú etanol, acetón a butanol. Ukazuje sa, že anaeróbne procesy sa môžu využívať pri detoxifikácii priemyselného odpadu, napríklad rôznych toxických halogénderivátov organických zlúčenín.

V súčasnosti sme svedkami toho, že mikrobiológovia prenikajú do čoraz väčších hĺbok a to nielen pod hladinu mora, ale aj pod zemský povrch. Vďaka novým zariadeniam sú tieto možnosti čoraz prístupnejšie. Vo veľkých, až niekoľkokilometrových hĺbkach sa ukázalo, že na mnohých miestach existujú striktne anaeróbne mikroorganizmy, ktoré pre svoj rast využívajú vodík, sírovodík a oxid uhličitý geochemického pôvodu. Aj v našom laboratóriu sme v spolupráci s českými geológmi získali metanogény z podzemného zásobníka svietiplynu z hĺbky cca 600 m. Tieto metanogény pre svoj rast využívajú komponenty svietiplynu (CO, CO₂, H₂). Nakoniec aj posledný nález stôp mikroorganizmov z Marsu dáva tušiť, že pokiaľ sa nejedná o artefakt, tak najpravdepodobnejšie pôjde o nepoznané formy anaeróbov.

Z lekárskeho hľadiska sú mimoriadne zaujímavé mnohé anaeróbne patogény, ktoré spôsobujú veľmi vážne a často aj ťažko liečiteľné zdravotné problémy. Za všetky spomenieme botulinizmus, ktorý spôsobuje toxín jedného zo striktných anaeróbov.  Baktéria Clostridium botulinum má spóry mimoriadne odolné voči teplote, ktoré môžu v nedokonale vysterilizovaných mäsových konzervách prežívať a produkovať jeden z najjedovatejších toxínov – botulotoxín.

Scény zo života anaeróbov, ktoré sme tu v stručnosti načrtli, sú len fragmentom reálneho anaeróbneho sveta. Čitateľ si z nich môže vybrať podľa vlastného vkusu, hospodár dobre vyfermentovaný hnoj, záhradkár dobre vyzretý kompost, ekológ mikrobiálne konzorcium schopné degradovať napríklad polychlórované aromáty či ropné kontaminanty. Profesionálnemu mikrobiológovi potom zostáva to úžasné dobrodružstvo z poznávania zvláštností anaeróbneho sveta, ktorého potenciál pre akademický výskum, ale aj pre modernú biotechnológiu je obrovský.