Nanobakterie

Nanobakterie: konec jedné domněnky?

„Dnes k nám kámen 84001 promlouvá přes všechny ty miliardy let a miliony mil. Hovoří o možnosti života. Jestliže bude tento objev potvrzen, bude to jistě nejúžasnější pohled do našeho vesmíru, jaký se kdy vědě odkryl.“ Prezident USA Bill Clinton (1996)

Není běžné začínat článek o vědeckých objevech nadšeným výrokem státníka, ale tehdy, roku 1996, byl americký prezident stejně u vytržení jako vědci z NASA. Ti totiž ohlásili, že v meteoritu ALH84001 (tak byl přesně označen) nalezeném v Antarktidě a starém zhruba 4,5 miliardy let našli zkamenělé útvary, které snad mohly být nesmírně malými mikroorganismy, bakteriemi. Pozoruhodnost nálezu nebyla jen v jeho stáří, ale především v tom, že nade vší pochybnost k nám přiletěl z Marsu, což naznačovalo, že se život kdysi formoval i na rudé planetě. Záhadné struktury na bázi uhličitanů a sulfidů, mimo jiné hořčíku a železa, se opravdu svým tvarem podobaly bakteriím, jen byly příliš malé na to, aby se do nich vešlo všechno, co je nezbytné k rozmnožování, mimo jiné DNA. Historii zkrátíme – po čase se ukázalo, že radost byla předčasná: byly to anorganické struktury, které neměly se životem nic společného.

Protože byly velmi malé, bude vhodné vydat se nejprve do mikroskopického světa, kde se velikost neměří na metry, ale na jejich miliardtiny, nanometry (zkratka nm, 10-9 metru). Předpona nano- je dnes v kurzu, takže připomeňme, že vznikla mírným přeformováním latinského nānus, trpaslík, pocházejícího z řeckého nanos, ve stejném významu. Dříve než u bakterií v titulku se toto slovo objevilo například v medicíně jako nanismus čili trpaslictví, porucha růstu způsobená nedostatkem růstového hormonu.

My se však vydáme do světa, kde je skutečným obrem i pouhá červená krvinka. Prion, spojovaný s neblaze proslulou „nemocí šílených krav“, má rozměr asi 13 nm, ale to je jen větší molekula. Buněčná struktura, ribozom, měří přibližně 20 nm, a jen o málo větší, asi 23 nm, je nejmenší dosud známý virus, Parvovirus, vyvolávající onemocnění psů končící často uhynutím, a soudí se, že je příčinou takzvané „páté nemoci“ u dětí. Naopak největším virem je Mimivirus objevený roku 1992 v měňavkách; jeho velikost se udává 400, jindy dokonce 800 nm. Označení vychází z anglického slova mimic použitého ve smyslu „napodobovat“, v tomto případě svou velikostí bakterie. Domnělé bakterie ALH84001 jsou protáhlé, dlouhé kolem 380 nm, zatímco nejmenší známé živé organismy jsou bakterie rodu Mycoplasma, kulovité, o průměru zhruba 200 nm. Některé způsobují závažná onemocnění, například zápal plic. Jsou zajímavé tím, že nemají vyvinutou buněčnou stěnu. Největší bakterií je Staphylococcus aureus, rovněž kulovitý, o průměru 600 nm, původce řady nemocí. Přehlídku těchto trpaslíků ukončíme slíbeným obrem, lidskou červenou krvinkou, jejíž průměr se pohybuje kolem 7000 nm. Můžeme se vrátit do minulosti, nikoli však k meteoritu z Marsu. Tenhle objev čehosi jako bakterií totiž nebyl první. Měl předchůdce, jemuž nebyla věnována taková pozornost, možná také proto, že nepřiletěl z vesmíru.

Objevy nanobakterií

V roce 1993 zkoumal americký badatel dr. Robert J. Folk (University of Texas) horniny, které shromáždil při svém studiu horkých pramenů v italském Viterbu. Byl to právě tento vědec, jenž tehdy ohlásil objev „nannobakterií“ (není to chyba tisku, psal je se dvěma „n“), kulovitých útvarů opravdu připomínajících zkamenělé bakterie. Zdálo se, že původně měly dokonce buněčnou stěnu, a dalo se soudit na jakési stopy vnitřní struktury. Jen byly na bakterie příliš malé – jejich průměr se pohyboval od 10 do 200 nm. Tyto záhadné útvary nalezl dr. Folk v geologických vrstvách odpovídajících paleozoiku (doba před 542 až 215 miliony let) a mezozoiku (251 až 65,5) a posléze usoudil, že by to mohly skutečně být jakési primitivní mikroorganismy, které zpracovávaly jak organické, tak anorganické látky, a za nesmírně dlouhá období vytvořily geologické vrstvy, v nichž se samy zachovaly. Myšlenka to byla nepochybně atraktivní, leč mylná. Víme, že nebyl se svým omylem osamocen; měl již zmíněné pokračovatele v americké NASA s meteoritem ALH84001. Není však vůbec namístě tyto vědce kritizovat. Výzkum probíhal na úrovni doby a se znalostmi živé hmoty, jaké byly k dispozici. A přiznejme si, jaké znalosti máme dnes? Nepochybně větší, ale jsme nesmírně daleko od toho, vědět vše. Pokud to budeme kdy vědět.

Ve skutečnosti duo dr. Folk a odborníci z NASA rozvířilo zásadní a velmi záslužnou vědeckou diskusi týkající se otázky, jaký může být nejmenší rozměr živých organismů. Kritici poukazovali na to, že podivné nálezy byly klasifikovány jako pozůstatky někdejších primitivních organismů jen na základě tvaru, a navíc přidávali mnohem podstatnější argument, že klíčové buněčné organely měří řádově dvacet nanometrů, takže by se do nejmenších „nannobakterií“ dr. Folka prostě nevešly. Tyto mikroorganismy by tak nebyly vybaveny k životu. Alespoň ne k takovému, jaký si představujeme. A právě když tyto diskuse vrcholily, přihlásili se další vědci. Dr. E. Olavi Kajander a dr. Neva Çiftçioğlu z univerzity ve finském Kuopiu ohlásili důkaz, že nanobakterie existují jako živí jedinci. O co šlo? Tito vědci začali zkoumat jakési záhadné kontaminanty, které nalézali v živné půdě buněčných kultur. Výzkum zahájili poté, když zjistili, že jim jakési nesmírně malé částice poškozují pěstované buňky, obrazně řečeno, jako by ty buňky „onemocněly“. Podivné bylo, že neznámé částice odolávaly běžným postupům sterilizace teplem, případně detergenty, a nedaly se odstranit ani přidáním různých antibiotik. V elektronovém mikroskopu to byla kulovitá tělíska, jejichž průměr kolísal mezi 50 a 500 nanometry. Navíc se velmi podobaly „nannobakteriím“ dr. Folka. Vědecký výzkum se někdy opravdu dostává do situace, kdy můžeme mít dojem, že jde o vědeckofantastický žánr – záhadné mikroorganismy, zdánlivě nezničitelné.

Přesvědčení, že to jsou opravdu jakési živé jednotky, ještě zesílilo, když v nich finští badatelé prokázali přítomnost nukleových kyselin a bílkovin. Dokonce se podařilo DNA sekvenovat, předpokládané bakterii se dostalo pojmenování Nanobacterium sanguineum a byla zařazena do skupiny zahrnující rody Brucella a Bartonella. První z nich způsobuje vážné onemocnění skotu, druhý pak onemocnění přenášené klíšťaty především z koček a psů na člověka. Naštěstí je vzácné, leč průběh může být vážný. Záhadné Nanobacterium jako by opravdu žilo, protože, jak se ukazovalo, dokázalo měnit tvar a postupně se z kuliček vytvářel jakýsi povlak, film a shluky hmoty obsahující minerály. K těm se dostaneme později. Teď bylo podstatné další zjištění, které finské vědce překvapilo – záhadné útvary našli v tělesných tekutinách, v krvi, slinách a moči zvířat i člověka. Z toho usoudili, že tyto mikroorganismy mohou být příčinou různých onemocnění, kdy se vytvářejí mineralizované struktury, například ledvinové kameny. Později k tomu přidali některé druhy rakoviny, aterosklerózu či degenerativní kloubní onemocnění.

To byla jedna oblast závěrů tohoto výzkumu. Druhá se týkala úvah o tom, že by se právě přes takové podivné bakterie možná dalo hledat vysvětlení vzniku života. Na druhé straně však například dr. Jack Maniloff z lékařského centra univerzity v americkém Rochesteru suše prohlásil, že tento objev je „studenou fúzí mikrobiologie“. To je dnes okřídlené rčení ve vědeckých kruzích označující blamáž. Studená jaderná fúze je jaderná reakce, při níž dochází k fúzi atomárních jader za nízkých teplot, i pokojových, přičemž se uvolňuje značné množství energie. Roku 1989 američtí chemici Stanley Pons a Martin Fleischmann oznámili, že se jim tato reakce povedla, ovšem pozdější studie prokázaly, že za daných podmínek k fúzi nedochází, a práce obou vědců se stala proslulým omylem.

Mnoho vědců však skepsi dr. Maniloffa nesdílelo, zvlášť když roku 2004 oznámil tým z americké Mayo Clinic (hlavní sídlo v Rochesteru, USA), že nalezl nanobakterie ve vzorcích zvápenatěných tepen, a tyto bakterie nejen, že obsahovaly DNA, ale údajně vytvářely RNA, což by znamenalo, že dokážou syntetizovat i bílkoviny. Není divu, že se vynořila úvaha o jejich možné souvislosti s nemocí šílených krav, jakož i s dalšími chorobami. Nová hrozba byla na obzoru a s ní se objevila jako první firma Nanobac OY založená finskými objeviteli těchto mikroorganismů. Šlo o výrobu diagnostických přípravků, jimiž by bylo možné odhalit nákazu nanobakteriemi. To byl další směr vývoje. Současně pokračoval výzkum. Abychom nahlédli za jeho kulisy, musíme se vrátit k minerálům v nanobakteriích, a také k chemii bílkovin.

Umělé nanobakterie

Když byly zkoumány minerály obsažené v předpokládaných nanobakteriích, ukázalo se, že jde především o apatit, což je fosforečnan vápenatý (ve skutečnosti je správnější hovořit o hydroxyapatitu, ale zkrátíme si to), a kalcit, uhličitan vápenatý. Tyto soli se běžně vyskytují v krystalické formě, přičemž obě se podílejí na struktuře kostí. Jako všechny soli, i tyto jsou tvořeny dvěma opačně elektricky nabitými částmi, totiž kladně nabitým kationtem vápenatým, zatímco druhá složka, anion, ať fosforečný nebo uhličitanový, je záporně nabitý. Ve vodě, při rozpouštění, se kationty a anionty oddělí a jsou samostatné. Teď k bílkovinám. Jsou to složité struktury, do jejichž detailů se nebudeme pouštět; stačí nám fakt, že v těchto komplikovaných a velkých molekulách jsou vždy malé struktury, které jsou kladně, nebo záporně nabité. Z fyziky víme, že se opačné elektrické náboje přitahují, takže je nasnadě myšlenka, že záporná struktura na molekule bílkoviny bude elektricky přitahovat kladně nabité vápenaté kationty, kladná pak záporné anionty, třeba fosforečné. To je proces důvěrně známý v chemii bílkovin a odborně se mu říká „interakce bílkovin“. Přitom nevzniká pevná chemická vazba, ale partneři opačného náboje jsou k sobě poutáni mnohem slaběji než třeba atomy vodíku a kyslíku v molekule vody. Takže „interakce“ je velmi slabá, nicméně stačí k tomu, aby bílkovina za vhodných podmínek nějaké ionty navázala a za jiných je zas uvolnila. Na tom, velmi zjednodušeně, spočívá transport solí v organismu. V krevním séru je nejvíce albuminu, který je znám tím, že velmi ochotně interaguje doslova se vším možným, a vcelku důstojným partnerem je mu také A-fetuin.

Tyto znalosti, výzkum interakcí bílkovin začal v polovině minulého století, měli také dr. John D. Young z Čchang Gung University na Tchajwanu a jeho doktorand Jan Martel. Oba napadlo, že by se mohli pokusit vytvořit nanobakterie z anorganických sloučenin. Vyšli z toho, že jak apatit, tak vápenec tvoří za normálních podmínek jednoznačně strukturované krystaly. A co zkusit přidat k nim nějakou bílkovinu, přičemž se samozřejmě nabízely obě výše zmíněné – albumin a A-fetuin? Vápenaté a fosforečné ionty začnou samozřejmě při dostatečné koncentraci v roztoku vytvářet krystaly, ale ukázalo se, že v přítomnosti bílkoviny to není tak jednoznačné. Bílkovina totiž, jak řečeno, interaguje s oběma druhy iontů, a k překvapení obou vědců místo toho, aby vznikal očekávaný krystalický apatit, začala se tvořit amorfní, tedy nekrystalická kulovitá tělíska složená z bílkoviny s navázanými anorganickými ionty. To se odehrávalo v klasické živné půdě, kde se pěstují bakterie.

Další proces byl neméně zajímavý – částice pořád rostly, byly kulovité, přičemž se ukázalo, že se do nich dokážou zabudovat nejrůznější sloučeniny, které byly přidány, tedy například sacharidy, lipidy, a také DNA a RNA. Vznikající kulička byla vrstevnatá, přičemž se v ní střídaly vrstvy anorganických solí a organických sloučenin. Poté nastal moment, kdy už přítomné bílkoviny nedokázaly interagovat s anorganickými ionty, prostě je neměly kam navázat, protože všechna místa, kde to bylo možné, byla už takovými ionty obsazena. V tomto okamžiku začala převládat krystalizace. Na povrchu kuliček se konečně objevily typické krystalky apatitu a v poslední fázi se kuličky začaly spojovat, přičemž se na dně kultivační misky tvořila souvislá vrstva, na vnějším povrchu krystalická. Byl to prakticky přesně stejný obraz, jaký se naskýtal vědcům soudícím, že mají co činit s živými organismy. Souhlasila i velikost oněch kuliček.

Představa nanobakterií se rozplynula po vcelku jednoduchém pokusu. Byla to jedna ze slepých uliček, z porážek vědy? Slepou uličkou byla domněnka, že jde o mikroorganismy. Finské vědce svedlo na scestí to, že domnělé bakterie reagovaly na protilátky. Ovšem ve skutečnosti to byla jen reakce právě na albumin a fetuin. Použité protilátky ve skutečnosti reagovaly na tyto dvě bílkoviny hovězího původu, protože k výrobě živných půd se často používá krevní sérum hovězích zárodků, takže se zmíněné bílkoviny zabudovávaly do vznikajících kuliček.

Co dál?

Tím však dosavadní historie domnělých nanobakterií zdaleka nekončí; naopak, otevírá se nová stránka výzkumu. Bakterie byl omyl, podivné nanostruktury v živých organismech jsou nesporný fakt. Kde se berou a proč? Zatím můžeme hovořit o hypotéze, byť velmi pravděpodobné. Jak napsali tchajwanští vědci: „Věříme, že částice podobající se nanobakteriím vznikají přirozeným procesem, který normálně chrání organismus před nechtěnou tvorbou krystalů, ale za jistých podmínek může vést k tvorbě takových částic.“ Tuto hypotézu můžeme zjednodušeně rozebrat. V živých organismech, teď uvažujme lidský, jsou vždy anorganické ionty, mimo jiné i ty, které jsme uvedli, přičemž absolvují neustálý koloběh. Vždyť jen naše kosti se neustále obnovují; u zdravého jedince je rychlost odbourávání kostní tkáně stejná jako její tvorby. Ovšem nezbytné anorganické ionty se musejí transportovat, a tím jsme například u albuminu.

Teď si vzpomeňme, že vědci pozorovali, že v přítomnosti bílkoviny vzniká agregát, kulička, v níž ale sůl, apatit či vápenec nejsou krystalické. Odborníci nyní soudí, že vznik nanočástic je ve skutečnosti obrana organismu tehdy, když by hrozil z nějakého důvodu vznik krystalků zmíněných solí. Pak některé bílkoviny začnou vázat tyto soli ve větším množství, vznikají amorfní nanočástice, a tím se zabrání tvorbě samostatných krystalků. Jestliže je tento přirozený proces narušen, neptejme se na příčiny, to je jiná otázka, tento mechanismus nestačí, bílkoviny nedokážou navázat nadbytečné soli, a ty se začnou vylučovat jako krystalky, což se navenek projevuje například vápenatěním tepen či usazováním solí v kloubech.

Po peripetiích, kde nebyla nouze o omyly, se tak možná podařilo (zdůrazněme „možná“) přijít na stopu mechanismu, jímž organismus reguluje koncentraci solí především v různých tělních tekutinách. Někteří vědci soudí, že je to proces mnohem obecnější a začínají pro tyto nanostruktury, v nichž mohou být zabudovány nejrůznější ionty, razit termín „bion“. Je jím označována nanočástice různých velikostí a tvarů složená z organických sloučenin, především z bílkovin, ale může obsahovat jakékoli další, a z různých anorganických iontů. Dosavadní osud domnělých nanobakterií je tak znamenitým obrazem toho, jak složitými cestami se někdy věda ubírá. Teď je třeba potvrdit právě naznačenou hypotézu a hledat, co dál. Nemoci, které se zdají souviset s podivnými nanočásticemi či bionty, jsou totiž vesměs závažné.

 

autor: Prof. RNDr. Vladimír Karpenko, CSc.

 

uveřejněno v časopise Sféra, vydání 07/2010