Slizké povlaky na vlhké skále nebo zubní plak jsou příkladem zvláštních společenstev mikrobů. Vytváří je někdy velmi pestré spektrum bakterií, které kolem sebe vybudují hlenovitý povlak poskládaný z bohaté kolekce nejrůznějších látek. V těchto tzv. biofilmech se chovají mikroorganismy úplně jinak, než když žijí jednotlivě. Často vykazují zcela odlišné vlastnosti.
V hlenovité hmotě biofilmu jsou například choroboplodné bakterie chráněny před účinky antibiotik. To je důvod, proč se o biofilmy zajímají lékaři. Bakterie v biofilmech narostlých na kovových konstrukcích zase přispívají k rychlejšímu postupu koroze, a proto se ocitají v popředí zájmu techniků.
Vědci zmapují šíření bakterií odolných vůči lékům ve vodě |
Běžné představy o evoluci vedené darwinistickými zákonitostmi přírodního výběru svádějí k dojmu, že uvnitř biofilmu musí zuřit ostrý konkurenční boj, z něhož nakonec vyjde jako vítěz ten nejsilnější a nejodolnější.
Jak ale dokazuje studie dánských a čínských mikrobiologů pod vedením Sorena Sorensena z univerzity v Kodani, bakterie obývající biofilmy získají mnohem více z nezištné spolupráce než z neúprosného soupeření. Vědci o tom referují na stránkách vědeckého časopisu ISME Journal.
Kořeny spolupráce
Spolupráce patří v přírodě k výhodným životním strategiím. Názorný příklad nabízejí organismy žijící v symbióze. Absolutním mistrem světa ve spolupráci je člověk. Stará se o nemocné, postižené nebo zestárlé. Příkladnou ukázkou nezištné lidské spolupráce je bezplatné dárcovství krve. Byla to právě spolupráce, co významně dopomohlo člověku na výsluní evoluce. Kořeny spolupráce však sahají daleko do minulosti. Jak asi její počátky vypadaly, odhaluje studium biofilmů.
Přírodní biofilmy hostí i stovky různých mikrobů, kteří v nich nejsou rozmístěni náhodně. Své „adresy“ postupně mění a při tom se dostávají do kontaktu s novými sousedy. S tím se mění vlastnosti mikrobů i biofilmu jako celku. Vzájemné vztahy bakterií v přírodních biofilmech jsou proto komplikované a vědci si pro výzkum pěstují své vlastní biofilmy tvořené malým počtem pečlivě vybraných mikroorganismů.
Sorensen pěstoval biofilmy s pomocí kvarteta půdních bakterií. Stenotrophomonas rhizophila a Xanthomonas retroflexus tvoří biofilmy celkem ochotně. Microbacterium oxydans a Paenibacillus amylolyticus se naopak do tvorby biofilmu dvakrát nehrnou. Vědci porovnávali prosperitu bakterií v biofilmu tvořeném všemi čtyřmi bakteriemi a chování biofilmů tvořených oběma zdatnými budovateli v kombinaci s jedním z neochotných tvůrců biofilmů.
Bakterie předběhly Forda
Pokud by spolu mikrobi v biofilmu soupeřili, měly by bakterie zdatné v tvorbě biofilmů své slabší a méně výkonné partnery nakonec vytlačit a zaujmout jejich místo. Ukázal se však pravý opak. Silné bakterie Stenotrophomonas rhizophila a Xanthomonas retroflexus se v biofilmu dobrovolně uskromnily, a nabídly tak životní prostor „slabochům“ Microbacterium oxydans a Paenibacillus amylolyticus. Těm se nakonec vedle silnějších sousedů dařilo lépe, než když rostli sami.
V pozadí úspěchu spolupracujícího bakteriálního společenstva se skrývá dělba práce. Jednotlivé bakterie si nemusí v biofilmu svépomocí vytvářet vše, co potřebují k životu. Soustředí se na aktivity, k nimž mají dobré dispozice. Činnosti, v kterých příliš nevynikají, přenechají jiným bakteriím. Tak hospodaří bakterie v biofilmu například s živinami. Žádná z nich si je nevyrábí v plném sortimentu a spoléhá na to, že chybějící látky jí dodají sousedé. Sama naopak sdílí své produkty s těmi, kterým se jich nedostává.
„Můžeme si myslet, že Henry Ford vynalezl něco výjimečného, když zavedl montážní linku a specializaci jednotlivých dělníků. Ale bakterie těží z výhod této strategie už po miliardy let,“ říká Soren Sorensen a dodává, že k nejstarším známým dokladům o existenci pozemského života patří stopy po bakteriích vytvářejících biofilmy. „Naše studie ukazuje, že bakterie při vzájemném soužití neponechávají nic náhodě. Dělí se o práci a dokonce si navzájem pomáhají.“
Biotechnologie inspirované přírodou
Vědci zjišťovali, jaké mají bakterie vlastnosti, pokud rostou samy, a jak se jejich vlastnosti mění, když rostou ve společnosti jiných bakterií. V případě lidských kolektivů se často hovoří o týmové synergii, kdy se jednotlivci navzájem inspirují a pomáhají si. Podle Sorensena dovedly bakterie žijící společně v biofilmech týmovou synergii na ještě vyšší úroveň.
„Bakterie u svých sousedů vzbuzují projevy vlastností, které by se jinak vůbec neukázaly. Proto mohou v kolektivu získávat vlastnosti, jaké jsou pro ně samotné nedosažitelné,“ tvrdí dánský mikrobiolog. „Když jsou pohromadě, může u nich vzniknout zcela nová vlastnost.“
Výsledky výzkumu biofilmů tvořených společenstvem různých bakterií jsou příslibem pro zcela nové biotechnologie. Dnes se průmyslově využívají bakterie v kulturách tvořených jediným druhem mikroorganismu. Mikrobiální společenstva se ale ukazují jako mnohem výkonnější a životaschopnější. „To, co dneska děláme, je v ostrém kontrastu s přírodou, kde jsou všechny procesy uskutečňovány spolupracujícími společenstvy mikroorganismů. Pokud chceme v budoucnu využívat potenciál biotechnologií skutečně naplno, musíme se inspirovat přírodou,“ říká Sorensen.
