Mikroorganizmi, vključno z bakterijami, so ubikvitarni – praktično povsod, v zemlji, vodah, zraku, vendar tudi v ekstremnih okoljih, kot so vroči vrelci, ledeniki, izredno slana okolja, itd.
Življenje na Zemlji, naš razvoj in zdravje, so tesno povezani in odvisni od bakterij.
Bakterije igrajo ključno vlogo pri kroženju snovi, vključno z razkrojem odmrlih rastlin in živali. Brez kroženja snovi bi življenje na Zemlji zelo hitro zamrlo. Poleg tega so bakterije udeležene v vseh prehrambenih verigah in vplivajo na sestavo naše atmosfere.
V zadnjih letih se nam razkriva tudi velik pomen mikrobiote, mikrobnih združb, ki prebivajo na in v naših telesih. Danes je znano, da mikrobiota igra ključno vlogo pri razvoju prebavil, dihal, genito-urinarnega trakta, kože, ter živčnega in imunskega sistema. Mikrobiota tudi ščiti pred patogenimi mikroorganizmi, sodeluje pri prebavi, produkciji vitaminov in usmerjanju imunskega sistema. Morda najpomembnejša je mikrobiota prebavnega trakta, vendar so za naš razvoj in zdravje izredno pomembne tudi mikrobne združbe kože, ustne votline, pljuč, nožnice, itd. Prehod skozi porodni kanal in tesen stik z materjo sta izredno pomembna pri naseljevanju novorojenca z mikrobioto. Pomen mikrobiote se pokaže ob neravnovesju v mikrobioti, ki jo izzovejo zdravljenja z antibiotiki ter okužbe ali vnetja.
Razlogov za prednost bakterij je več:
- Imajo veliko evolucijsko prednost, saj so bile prvi organizmi našega planeta in zelo dolgo tudi edini.
- Čeprav so bakterije v primerjavi z višjimi organizmi po svojem videzu preproste in med seboj navidezno podobne, so glede sposobnosti presnove, koriščenja različnih hranil za rast in razvoj, kakor tudi razlik v dednini/ DNA, mnogo bolj pestre kot višji organizmi.
- Imajo kratek generacijski čas, mnogo krajšega od rastlin, živali in seveda človeka. V optimalnih pogojih se lahko nekatere delijo že v 30ih minutah, torej v zelo kratkem času nastajajo zelo velike populacije in številne generacije. Posledično zaradi mutacij, spontanih ali induciranih sprememb v DNA, zelo hitro nastajajo nove različice, ki so zelo dobro prilagojene na pogoje v okolju.
- Bakterije so v svoji dolgotrajni evoluciji razvile mehanizme izredno hitrega in natančnega zaznavanja dejavnikov okolja (hranil, O2, CO2 …) in izredno hitre in učinkovite odzive ter prilagajanje na spremembe v okolju. Razvile so mehanizme komuniciranja s pomočjo kemičnih spojin in si, tako kot mi, v populacijah delijo delo.
- Izmenjujejo genetske zapise, svojo DNA ne prenašajo samo vertikalno – od staršev na potomce, temveč tudi horizontalno – med nesorodnimi organizmi iste ali druge vrste, s čemer pridobivajo nove lastnosti. DNA lahko prenašajo na tri načine: neposredno iz ene bakterijske celice v drugo; z bakterijskimi virusi in privzemajo prosto DNA, sproščeno iz odmrlih bakterij.
ANTIBIOTIKI IN BAKTERIJE TER PORAJANJE NOVIH PATOGENOV
Odkritje in uporaba antibiotikov za zdravljenje bakterijskih okužb je eden največjih dosežkov sodobne medicine. Vendar bakterije sčasoma do antibiotikov razvijejo odpornost in danes so nekateri bakterijski sevi klinično pomembnih vrst odporni proti večim, včasih celo proti vsem uporabljenim antibiotikom.
Odpornost bakterij zaradi preširoke in pogosto neustrezne uporabe antibiotikov predstavlja eno največjih groženj zdravju ljudi.
Odpornost je posledica a) razgradnje antibiotika, b) modifikacije/spremembe antibiotika, c) spremembe tarče antibiotika ali d) aktivnega iznosa antibiotika iz bakterije.
Vendar ima zdravljenje z antibiotiki še druge neželene učinke, saj antibiotiki ne delujejo le na povzročitelje bolezni temveč tudi na mikrobioto, kar izzove disbiozo, za katero so značilne velike spremembe v številu predstavnikov posameznih mikrobnih vrst ter vrstne raznolikosti. V takšnih pogojih se lahko namnožijo oportunistične bakterije, z resnimi posledicami za bolnika.
V zadnjih desetletjih beležimo pomembne spremembe tako v prenosu, kakor tudi v vrstni sestavi mikrobiote. Neoporečna voda, porast v zdravljenju okužb z antibiotiki v času nosečnosti, porast rojstev otrok s carskim rezom, družine z manj otroki, upad dojenja zmanjšujejo možnost prenosov mikrobiote na otroke. Poleg tega na vrstno sestavo mikrobiote vplivajo široka uporaba antibiotikov ter višja raven osebne higiene ob uporabi gelov in mil s proti-mikrobnim učinkom. Izsledki kažejo, da bo mikrobiota vsake naslednje generacije bolj siromašna od mikrobiote predhodne. Siromašenje mikrobiote povezujejo z izjemnim porastom prekomerne telesne teže pri otrocih, alergij, astme in refluksne bolezni požiralnika.
NIZKE KONCENTRACIJE ANTIBIOTIKOV V KRMI IN OKOLJU
Antibiotiki prehajajo iz bolnikov in živali v okolje, kjer so koncentracije sicer nižje, vendar je dokazano, da v bakterijah sprožijo mutacije, tudi takšne, ki posredujejo odpornost proti antibiotikom. Sprožijo tudi odzive na stres, kar bakterijam omogoči prilagoditev npr. tvorbo izrazitejšega ovoja in biofilma, v katerem so zaščitene pred antibiotiki in drugimi protimikrobnimi dejavniki, vključno z imunskim odzivom. Poleg tega, nizke koncentracije antibiotikov sprožijo tudi horizontalne prenose DNA vključno z genetskim zapisom za odpornost.
Znano je, da dodajanje nizkih koncentracij antibiotikov krmi poveča rast vzrejnih živali. Ker je dokazana povezava med dodajanjem antibiotikov krmi za povečano prirast in širjenjem odpornosti proti antibiotikom, je v Evropski uniji, vendar ne tudi v vseh ostalih državah, takšna uporaba prepovedana. Antibiotiki, zaužiti s krmo, zmanjšajo število bakterij mikrobiote prebavnega trakta. Predpostavlja se, da se posledično zmanjša tekmovanje med gostiteljem z mikroorganizmi mikrobiote za hranila in posledično je rast živali hitrejša.
Znanstveniki opozarjajo in dokazujejo, da so otroci v razvitih državah do svojega 18. leta več kot 10x zdravljeni z antibiotiki, to pa vpliva, tako kot pri živalih, na njihovo mikrobioto in posledično na večjo pogostost prekomerne telesne teže.
Antibiotiki so izredno dragoceni. Umrljivost otrok in odraslih se je v zadnjih desetletjih zaradi zdravljenja bakterijskih okužb z antibiotiki izredno zmanjšala. Predpisovanje antibiotikov mora biti previdno in smotrno, zaradi preprečevanja porajanja in širjenja odpornosti proti antibiotikom kot tudi zaradi učinka antibiotikov na mikrobioto. Potrebujemo tudi nove antibiotike, ki bi delovali ciljano le na patogene vrste.
PORAJANJE NOVIH PATOGENOV
Horizontalni prenosi DNA niso pomembni samo za širjenje odpornosti proti antibiotikom temveč tudi pri porajanju novih patogenov. Bakterije si lahko izmenjujejo genetske zapise tudi za, primer, sintezo toksinov, encimov, ki omogočajo podvajanje in širjenje v gostitelju, ali pa za močnejšo vezavo na sluznice gostitelja.
Tako vemo, da so bili horizontalni prenosi DNA pomembni pri evoluciji patogenov, ki povzročajo okužbe prebavnega trakta npr. rodu Salmonella, Shigella, patogenih sevov bakterije Escherichia coli, ki je sicer tudi del mikrobiote prebavnega trakta; tudi pri nastanku vrste Yersinia pestis, ki povzroča kugo ali črno smrt ter nastanku sevov bakterije Vibrio cholerae, ki izzovejo kolero.
Novejši primer se je zgodil leta 2011 v Nemčiji, ko je prišlo do izbruha krvave driske s primeri akutne ledvične odpovedi. Okuženih je bilo več kot 4000 oseb, 49 jih je umrlo. Zelo verjeten vir okužbe so bili kalčki, vzgojeni v Nemčiji, iz semen uvoženih iz Egipta. Analize so razkrile, da je bil povzročitelj okužb sev bakterije E. coli O104:H4 s kombinacijo lastnosti dveh različnih skupin patogenih sevov, ki je nastal s horizontalnimi prenosi DNA. Sev producira toksin, poleg tega pa se tesneje veže na celice povrhnjice, kar omogoča bolj učinkovit vnos toksina.
Zaradi izrednih sposobnosti bakterij, da se prilagajajo in spreminjajo, in zaradi globalizacije lahko pričakujemo porajanje novih patogenov.