Mokslo ir technologijų pasaulis

Di­dė­jant bak­te­ri­jų at­spa­ru­mui an­ti­bio­ti­kams, nar­sios eks­pe­di­ci­jos lei­džia­si į jo­kiu bū­du ne per anks­ty­vas nau­jų vais­tų pa­ieš­kas van­de­ny­nų gel­mė­se.

Naujų bakterijų medžioklė Arkties vandenyse

150 kilometrų kelionė iš Čilės nebus patogi. Bus karšta, banguota ir truks visą naktį. Keliaujant šia Ramiojo vandenyno vieta, susiduriama su El Niño ir La Niña, kurių amžinas orų karas netgi rūsčiausius jūrų vilkus gali nuvyti maitinti žuvų.

Laimei, vos tik komanda – eklektiškas užkietėjusių Pietų Amerikos jūreivių ir britų gelbėjimo inžinierių mišinys – pasieks kelionės tikslą, jie turėtų rasti ramius vandenis. Tai inžinieriams labai palengvins išlaikyti laivo padėtį. Naudoti inkaro jie tikrai negali: čia vandenyno dugnas 8 kilometrais žemiau, pavojingoje bedugnėje, vadinamoje Peru-Čilės loviu. Bet tai, ko komanda ieško šiose gelmėse, gali išgelbėti jūsų gyvybę.

Peru-Čilės lovys yra tik pirmasis sustojimas. Šiais metais Marcelis Jasparsas, Aberdeeno universiteto JK chemikas, vadovauja tarptautinei ekspedicijai po neištyrinėtas vandenynų gelmes. Ten klestintys egzotiški mikroorganizmai gali pasitarnauti kovoje su blogiausiais priešais, nuo vėžio iki vaistams atsparių bakterijų. Ilgai delsti nebegalima. Kai kas tvirtina, kad be jų gresia antibiotikų apokalipsė.

Vaistų spintų pripildymui visada kreipdavomės į gamtą. Daugiau nei pusės rinkoje esančių vaistų išgavimas ar sukūrimas priklauso nuo augalų, gyvūnų ar bakterijų – aspirinas išgaunamas iš gluosnio žievės, peniciliną gamina grybelis, ir už daugelį antibiotikų turime dėkoti dirvos bakterijoms.

Kai kurie atradimai buvo laimingi atsitiktinumai, bet įprastai farmacijos kompanijos medicininių lobių ieškodavo nuošaliose vietose: vinblastinas, chemoterapijos preparatas, naudojamas Hodgkino limfomos gydymui, išgaunamas iš rožinio kataranto, Madagaskare augančio augalo.

Spaudžia laikas

Bet per pastaruosius 20 metų, įprastinų biolobių vis mažėjo, ypač tarp mikroorganizmų. Kartojasi vis tas pats scenarijus; biolobių ieškotojai randa daug žadantį kandidatą, kompanijos išleidžia krūvas pinigų perkėlimui į gamybą – o pasirodo, kad visi tik švaistė laiką. Tai vyksta netgi vis labiau augant naujų antibiotikų poreikiui, sako Laura Piddock, Birminghamo (JK) universiteto mikrobiologė, vadovaujanti pasaulinei naujų antibiotikų kūrimo iniciatyvai.

Antibiotikams atsparių gonorėjos, tuberkuliozės ir MRSA sukėlėjų štamų gausėja. Tokios bakterijos išsivystė atsparumą netgi vadinamiems paskutinės vilties antibiotikams. Po dešimtmečio ar poros, jų nebeveiks jokie paplitę antibiotikai ir paprastos infekcijos taps mirtinos. Bet nerasta naujų organizmų, kurių pagrindu būtų galima sukurti geresnius vaistus. „Vamzdis iš esmės išdžiūvęs,“ sako Piddock.

Desperatiškai trūkstant naujų komponentų, farmacijos kompanijos atkreipė dėmesį į sintetinius analogus. Bet jie neprilygsta milijardus metų vykusios evoliucijos įvairovei. Dėl to yra mažiau produktų, o ne daugiau, sako Guy Carter pramonės konsultantas iš Niujorko.

Bet Jasparsas tikras, kad gamta rankovėje dar turi keletą kortų. Žemės biosferos komforto zonoje klestintys mikroorganizmai sudaro tik mažą dalį planetos gyvybės formų. Už regionų, kuriuos laikome gyvenamais, ribų – išdžiūvusiose dykumų dirvose arba užkasti storu ledo ar uolienų sluoksniu, – sutvėrimai ne tik išlieka, bet klesti ekstremalių temperatūrų, druskingumo ir tamsos sąlygomis.

Tai, kad jų neįprasta adaptyvioji chemija gali būti panaudota mūsų naudai, supratome maždaug prieš 40 metų. Thomasas Brockas – tuo metu Washingtono universiteto mikrobiologas – važiavo per Yellowstone'o nacionalinį parką į laboratoriją. Karšti tvenkiniai ir geizeriai pasirodė pernelyg viliojantys; jis sustojo pasigrožėti ir grįžo į laboratoriją su vandens pavyzdžiu. Jis nustebo, beveik verdančiame vandenyje radęs klestinčią gyvybę. Taip prasidėjo termiškai atsparių mikrobų tyrimo dešimtmetis. Pasirodė, kad viena rūšis, Thermus aquaticus, gamina fermentą, taq polimerazę, kuri tapo mažų DNR kiekių padauginimo metodo automatizavimo raktu. Ji pavertė sudėtingą, daug darbo reikalaujantį kruopštų procesą į atliekamą ant bet kurios laboratorijos darbastalio, ir iš esmės sukėlė genomikos revoliuciją.

Tačiau tik prieš keletą metų ėmėme suprasti, kad šios adaptacijos taip pat gali būti nukreiptos prieš kai kuriuos blogiausius medicinos priešus. Rūgščiuose Lechuguilla olos ežeruose Carlsbade, Kalifornijoje, – kurių metalais prisotinti vandenys turėtų pražudyti visą gyvybę – rasti grybeliai suteikė informacijos.

Viena Penicillium grybelio atmaina gamina medžiagą, stabdančią plaučių vėžio ląstelių augimą. Kitas komponentas, Berklio rūgštis, išskirta iš atviros bitumo kasyklos nuodingame vandenyje gyvenančių grybelių ir bakterijų, sulėtino kiaušidžių vėžio augimą 50 procentų (Journal of Organic Chemistry, vol 71, p 5357). Prasidėjo ekstremalių gamtos vaistų medžioklė.

Bet jei manėme, kad tokiose vietose gyvybės maža, buvome nustebinti. Mikrobiologas Alanas Bullis iš Kento universiteto, JK, tyrė sausiausią ir aukščiausiai esančią Žemės dykumą – Čilės šiaurėje besidriekiančią Atakamos dykumą. Mikrobai čia patiria sausrą ir intensyvų bombardavimą ultravioletiniais spinduliais; aplinka čia tokia atšiauri, kad NASA naudoja ją, kaip Marso analogą. Čia Bullis tikėjosi rasti savo mėgstamiausią mikrobų grupę: aktinobakterijas, turinčių daug molekulių, kurios iš esmės yra jau pagaminti vaistai, pakankami maži, kad galėtų prasmukti per kūno gynybą.

Jis tikėjosi rasti kelias rūšis, vos krutančias nuo sunkaus gyvenimo. Tačiau pagal naujausius skaičiavimus, Bullio grupė surinko 1000 kultūrų. Kai kurie jų komponentai turi antibiotinių, priešvėžinių ir priešuždegiminių savybių. Kai kurios rūšys pažįstamos. Daugelis regimų pirmą kartą. „Didžioji dalis tikriausiai bus naujos rūšys, kurių medicininis potencialas praktiškai dar nepaliestas,“ pažymi Bullis.

Dykuma nėra vienintelė vieta, atskleidžianti netikėtą gausybės ragą. Kitas didžiulis neištirtas regionas, atsiveriantis biolobių ieškotojams, padedant netikėtam sąjungininkui – klimato kaitai, yra Antarktida. Davidas Pearce'as iš Northumbria'os universiteto, JK, analizavo poledinio Hodgsono ežero nuosėdų pavyzdžius. Ežeras randasi po labai storu ledo sluoksniu dėl ledynų tirpimo, ir atskleidžia 100 000 metų Antarktidos poledyninių nuosėdas. Radiniai priminė Bullio radinius: biomasė buvo didesnė, nei tikėjosi. „Galbūt atarnkos spaudimas nėra toks stiprus, kaip manėme anksčiau,“ svarsto jis. „Atrodo, čia gyvybei visai palanku.“

Kas dar svarbiau, čia nebuvo tiesiog daug vos kelių rūšių narių. Genomų tyrimai parodė, kad ežere klesti įvairovė. „Tikėjomės čia rasti labai specializuotus organizmus,“ sako Pearce'as. „Bet aptikome didžiulę įvairovę; kai kurios rūšys gėlavandenės, kai kurios jūrinės, kai kurios ekstremofilinės, kai kurios labiau kosmopolitiškos – tai nustebino.“

Įvairovė atsispindėjo ir šių organizmų biocheminėje sandaroje. DNR analizė parodė, kad maždaug ketvirtadalis Hodgsono ežero biologinės medžiagos neatitinka jokios žinomos genų sekos. Grupė tebelaukia galutinių rezultatų, bet atrodo, kad tai visiškai naujos rūšys.

Jei buvo manoma, kad ekstremaliose temperatūrose gyvybė skurdi, tai jos egzistavimas giliai po mūsų kojomis laikytas visiškai neįmanomu. Bet pastarieji keletas metų parodė, kad ir vėl klydome. Uolėtosios gelmės glaudžia dar vieną didžiulę mikrobinę ekosistemą, kuri tokia pat neišžvalgyta, kaip Antarktida ir išplitusi praktiškai visoje planetoje.

Į gelmes

Kur bežvelgėme, mikrobinė gyvybė stebino mus atsparumu, įvairove ir gausa. Tačiau jokia ekstremali aplinka nėra mažiau ištirta – ar daugiau žadanti, – nei vandenynų loviai. Nors daug supratome apie vandenynų gelmių gyvybę, loviai yra iš esmės nepažinti, sako Timas Shankas, jūrų gelmių biologas Woods Hole okeonografijos institute Massachusettse. „Tai didžiausias neištirtas biomas Žemėje,“ sako jis.

„Okeanų loviai yra unikalios vietos,“ sako Jasparsas. Čia, vadinamojoje hadalinėje zonoje, sykiu veikia keli ekstremumai: nežmoniškas slėgis, visiška tamsa ir iki 2 °C nukrentanti temperatūra – iš pirmo žvilgsnio tokia temperatūra nėra ekstremali, tačiau sustabdanti didžiosios dalies mikrobų augimą. Nepaisant atšiaurios aplinkos, lovių izoliuotumas ir unikali ekologija daro juos savotiškomis povandeninėmis Galapagų salų versijomis. Kiekviename laikosi unikali gyvybė, turėjusi prisitaikyti prie savo neįprastų namų.

Pernai Jasparo nuojauta, kad giliuose vandenyno loviuose turėtų būti gyvybės įvairovė, pasitvirtino: mikrobinės ekologijos specialistas Ronnie'is Gludas ir jo komanda iš Pietų Danijos universiteto Odense'ėje atskleidė Marianų lovio vakarinėje Ramiojo vandenyno dalyje, beveik 11 km gylio Challengerio gelmėje surinktų pavyzdžių analizės rezultatus. Kiekviename ištraukto purvo kubiniame centimetre vidutiniškai rasta 10 milijonų mikrobų – apie 10 kartų daugiau, nei pavyzdžiuose, surinktuose iš lygumos lovio viršuje. Kaip šie šviesos neregintys organizmai taip klestėti? Pasak Gludo, loviai itin gerai gaudo gyvybę palaikančias maistines medžiagas. Jų platūs, statūs kraštai veikia kaip piltuvai, nukreipiantys organines medžiagas gilyn į dugną, kur maisto laukia bakterijos.

Bet ar lovių organizmuose irgi gali būti naujų vaistų? Pirmosios užuominos pasirodė, kai Jasparsas kartu su Bulliu tyrinėjo chemines medžiagas, išskirtas iš kitos mikrobų sankaupos Marianų lovyje. Dermacoccus abyssi, Japonijos nuotoliniu būdu valdomu povandeniniu aparatu iškeltos iš jūros dugno aktinobakterijos gamina dermakozinus, dar nežinotų cheminių medžiagų šeimą, kovojančią prieš miegligę sukeliančius parazitus(International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, vol 56, p 1233).

Peru-Čilės lovyje, turėtų gyventi panaši naujų bakterijų populiacija – ir niekas jų niekada neregėjo, sako Jasparsas. „Iš viso ten buvo paimti tik du ar trys pavyzdžiai,“ sako jis. Bet juos paėmusiųjų taikinys nebuvo bakterijos: projektas ieškojo kirminų ir kitų smulkių organizmų. „Tai, ką jie rado, buvo neįprasta ir skirtinga,“ pažymi Jasparsas. „Taigi, yra ženklų, kad kažką panašaus rasime ir mes.“

Jasparsas pats paruošė savo darbą. Galų gale, šie loviai nebuvo tyrinėjami dėl geros priežasties – jų pasiekti buvo praktiškai neįmanoma. Tad, gavęs 9,5 milijonų svarų finansavimą iš Europos Sąjungos savo drąsaus projekto PharmaSea pradžiai, Jasparsas kibo į darbą. Jis kruopščiai rinkosi partnerius – tai buvo visų žvaigždžių komanda iš 13 šalių ir 25 institucijų bei verslo grupių. Čilė pasirinkta dėl priėjimo prie lovio; kiti partneriai dėl išmanymo. Britų gelbėjimo firma Deep Tek sukūrė naują virvės ir keltuvo sistemą, kuri, kaip jos kūrėjai tikėjosi, panaikins specialių mokslinių laivų poreikį ir taip 10 kartų sumažins mėginių iškėlimo kainą.

Bet yra paskutinė kliūtis, kurios taip lengvai įveikti neina. Nedraugingus plotus namais vadinančioms būtybėms mūsų aplinka yra tokia pati mirtina, kaip ir jų aplinka – mums. Tracy Mincer, irgi iš Woods Hole'o, pažymi, kad daugelis jų tikriausiai yra pjezofilai – spaudimui jautrūs organizmai, kurių išgyvenimui būtinas traiškantis slėgis. Šios giliavandenės bakterijos neišgyventų kelionės į paviršių.

Keletas sudėtingų aukšto slėgio kamerų galėtų leisti tyrėjams auginti šiek tiek ekstremofilų, tačiau tokia įranga yra reta ir ja sunku naudotis. Laimei, Jasparsas gavo kamerą, galinčią simuliuoti 4000 metrų gylį, kuri turėtų padėti išlikti kai kurioms ne tokioms atsparioms bakterijoms. Bet jis planuoja imti pavyzdžius iš įvairių gylių ir mano, kad kai kurie mikrobai gali prisitaikyti prie slėgio jūros lygyje.

Tik saugiai išgavus ir į šaltas saugyklas padėjus pavyzdžius, gali prasidėti ilgas kelias iš vandenyno gelmių pliurzos į naujus vaistus. PharmaSea komanda tikisi, kad iki projekto pabaigos 2016-aisiais, keletas vaistų kandidatų pasieks bandymų su gyvūnais etapą.

Pirmiausia jie izoliuos bakterijas ir išaugins didesnes jų kolonijas. Tada padarys bakterijų ekstraktą ir išbandys šimtus jo komponentų su įvairiomis ligomis užkrėstomis ląstelėmis. „Jei kažkas atitinka, gryninama, kol išgaunama aktyvioji medžiaga ir tikrinama toliau,“ paaiškina Jasparsas.

Kai kurie naujausi tyrimo metodai paspartins šį procesą. Pavyzdžiui, siekdamas rasti veikimą prieš nervų sistemos ligas, Jasparsas pasitelkė Katalikiškojo Leuveno universiteto (KUL) Belgijoje tyrėjus, sukūrusius naujus Danio rerio žuvų tyrimus. Danio rerio žuvys yra nepaprastai gerai naujų vaistų tyrimui tinkantys gyvūnai dėl genetinių, fiziologinių ir farmakologinių panašumų į žmones. Svarbiausia, naudojant žuvis, tyrimas yra greitas ir gali būti atliekamas su mažais pavyzdžiais.

Paskutinė stotelė bus farmacijos kompanijos atliekamas pritaikymas dideliam mastui. Jei farmacijos milžinės atsitraukė nuo antibiotikų, mažesnės firmos braunasi į šią teritoriją. Ronaldas Farquharas, vadovaujantis vaistų paieškoms Cubist Pharmaceuticals Lexingtone, Massachusettse, PharmaSea perspektyvas vertina entuziastingai. „Naujų antibiotikų klasių radimui įvairi ir egzotiška aplinka yra būtina,“ pažymi jis.

Jasparsas po apsilankymo Ramiojo vandenyno gelmėse siekia leistis į keliones prie kitų okeano lovių; Kermadec Naujojoje Zelandijoje, Marianuose vakarinėje Ramiojo vandenyno dalyje ir Izu-Bonin Japonijoje.

Bet pirmiausia laukia Peru-Čilės lovys. Laivas išplauks po kelių savaičių. Nuplaukę į vietą, Deep Tek inžinieriai per bortą išmes metro ilgio gręžimo įtaisą. Per 4–6 valandas, aparatas nugrims ir įsmigs į nuosėdas. Kelionė viršun, pasitelkus motorus, bus greitesnė. Per 10 pavyzdžių ėmimo dienų inžinieriai pavyzdžius pamainomis rinks kiaurą parą.

Visi dalyviai tikisi, kad jų pargabentas vertingasis krovinys žymės naują medicinos stebuklų aušrą – milijonus metų ekstremaliausiose Žemės vietose praleidusios mikroskopinės gyvybės dovaną.

Jon White
New Scientist № 2953