Στο «κυνήγι» των αντιβιοτικών σε ακραία φυσικά περιβάλλοντα – Μεγάλη έρευνα Ελλήνων επιστημόνων

Γράφει η Βάσω Μιχοπούλου

Τα δύο τελευταία χρόνια ερευνητές από την ομάδα Μικροβιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Καθηγητή Παναγιώτη Σαρρή (Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Κρήτης και ΙΜΒΒ-ΙΤΕ) συλλέγουν στις παραλίες και στις αλυκές της Κρήτης μια κατηγορία ειδικά σκληραγωγημένων μικροβίων που είναι σε θέση να προσαρμόζονται, να επιβιώνουν και να ευδοκιμούν σε αφιλόξενους βιοτόπους, υπό όρους που θα σκότωναν τους ανθρώπους, τα ζώα, και τα φυτά (π.χ. σε καυτές πηγές, όξινα πεδία, αλμυρές λίμνες, και σε πολικά καλύμματα πάγου).

Όσο και αν ακούγεται περίεργο αυτοί οι μικροοργανισμοί, παράγουν βιοδραστικές ουσίες φαρμακευτικού και όχι μόνο ενδιαφέροντος που θα μπορούσαν να συμβάλουν στη θεραπεία ενός μεγάλου φάσματος ασθενειών, από λοιμώξεις μέχρι τον καρκίνο των ωοθηκών και τη νόσο Alzheimer, αλλά και γενικότερα να βρουν εφαρμογή στη βιοτεχνολογία, τη βιοϊατρική, τις βιομηχανικές διεργασίες και τις αγροκαλλιέργειες. Για αυτόν τον λόγο η συγκεκριμένη μεγάλη ομάδα μικροοργανισμών, γνωστών ως ακραιόφιλα (extremeophiles), βρίσκεται πλέον κάτω από τον ερευνητικό φακό πολλών επιστημόνων παγκοσμίως.

Στην διερεύνηση των δυνατοτήτων μιας ομάδας τέτοιων προκαρυωτικών μικροοργανισμών, που ονομάζονται αλόφιλα (επιβιώνουν σε έδαφος με αυξημένη υγρασία και υψηλή αλατότητα) στρέφεται τώρα και μια ομάδα ελλήνων ερευνητών από τέσσερα ερευνητικά εργαστήρια στην Ελλάδα και στο εξωτερικό. Είναι η πρώτη φορά που διενεργείται μια τέτοιου είδους έρευνα στη χώρα μας και στην ερευνητική αυτή δράση ενώνουν τις δυνάμεις τους η ομάδα Μικροβιολογίας του καθηγητή των Πανεπιστημίων Κρήτης και Exeter του Ην. Βασιλείου και ερευνητή του ΙΜΒΒ-ΙΤΕ, Δρ. Παναγιώτη Σαρρή, η ομάδα Μικροβιακής Οικολογίας και Βιοπληροφορικής του Δρα. Ηλία Λαγκουβάρδου από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου, η ομάδα Ενζυμικής Τεχνολογίας του Καθηγητή  Ιωάννη Παυλίδη από το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Κρήτης και η ομάδα Μικροβιολογίας και Μεταβολικής Μηχανικής του Καθηγητή Εμμανουήλ Τραντά από το Τμήμα Γεωπονίας του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου.

«Με την ομάδα μου και τους συνεργάτες μου έχουμε ήδη απομονώσει και ταυτοποιήσει περισσότερα από 600 στελέχη βακτηρίων, πολλά από τα οποία φαίνεται να παράγουν αντιμικροβιακές ουσίες έναντι γνωστών παθογόνων βακτηρίων και μυκήτων, ενώ πολλά από αυτά δοκιμάζονται έναντι εντόμων και νηματωδών. Η φύση είναι μια μοναδική πηγή φαρμακευτικών προϊόντων. Πολλοί οργανισμοί έχουν έμφυτη την ικανότητα να παράγουν μια πληθώρα χημικών μεταβολιτών με ποικίλες δράσεις, όπως την πρόληψη ή/και την καταπολέμηση σημαντικών ασθενειών», αναφέρει ο Καθηγητής Π. Σαρρής.

Ένα πολλά υποσχόμενο και σχετικά ανεξερεύνητο πεδίο

Η ιδέα ότι κάποιοι οργανισμοί θα μπορούσαν να ευδοκιμήσουν σε ακραία περιβάλλοντα αμφισβητείτο μέχρι τις δεκαετίες ’80 και του ’90. Ο όρος «extremeophile» προτάθηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του ’70 από τον βιοχημικό Robert MacElroy, που εργαζόταν στο NASA’s Ames Research Center στο Moffat Field, των ΗΠΑ. Μάλιστα, ο MacElroy προέβλεψε ότι το αφιλόξενο περιβάλλον του Άρη θα μπορούσε μια μέρα να εποικιστεί από οργανισμούς της Γης. Η μελέτη των ακραιόφιλων είναι ένα μάλλον δύσκολο πεδίο, που περιορίζεται κυρίως από την πολυπλοκότητα του εντοπισμού και της απομόνωσής τους.

Τα περισσότερα ακραιόφιλα εξακολουθούν να αποτελούν μέρος της μικροβιακής «σκοτεινής ύλης» που δεν έχει ακόμη χαρακτηριστεί. Ωστόσο, δείχνουν να είναι πλέον και η μόνη οδός για την αναζήτηση νέων αντιβιοτικών, καθώς η ικανότητά τους όχι μόνο να επιβιώνουν αλλά και να ευδοκιμούν σε βιότοπους όπου πεθαίνουν άλλοι μικροοργανισμοί υποδηλώνει ότι οι χημικές τους εκκρίσεις είναι ιδιαίτερα ισχυρές και μοναδικές. Όπως εξηγεί ο Δρ. Η. Λαγκουβάρδος, «στη φύση οι μικροοργανισμοί συνθέτουν αντιμικροβιακές ενώσεις (αντιβιοτικά, κ.α.) ώστε να επικρατήσουν σε ένα περιβάλλον, εξουδετερώνοντας τους πιθανούς ανταγωνιστές τους, δηλαδή μικροοργανισμούς που ανταγωνίζονται για τις ίδιες πηγές τροφής. Παράλληλα, αναπτύσσουν μηχανισμούς άμυνας για να προστατευτούν από αντίστοιχες ενώσεις των ανταγωνιστών τους».

Επιδημιολόγοι, χρησιμοποιώντας υπολογιστικά εργαλεία μοντελοποίησης προβλέπουν ότι το τέλος της εποχής των αντιβιοτικών βρίσκεται ήδη πολύ κοντά, σε μια χρονική περίοδο που τα ανθεκτικά στα αντιβιοτικά βακτήρια συνεχίζουν να προκαλούν ετησίως περισσότερες από 2 εκατομμύρια μολύνσεις και 23.000 θανάτους μόνο στις ΗΠΑ. Αυτό χαρτογραφεί ένα ζοφερό μέλλον στο οποίο ακόμη και μικρές πληγές θα μπορούν να οδηγήσουν στο θάνατο. Η πραγματική ανησυχία είναι το πώς θα είναι ο κόσμος μας χωρίς αντιβιοτικά, καθώς πολλοί ερευνητές πιστεύουν ότι εισερχόμαστε σταδιακά σε μια μετα-αντιβιοτική εποχή.

Μετά τα αντιβιοτικά τι;

Οι λοιμώξεις που κάποτε ήταν εύκολα ιάσιμες απαιτούν πλέον θεραπευτικά σχήματα με ένα ή περισσότερα αντιβιοτικά. Όμως ο ρυθμός ανάπτυξης νέων αντιβιοτικών είναι αργός σχετικά με τον ρυθμό που οι μικροοργανισμοί αναπτύσσουν ανθεκτικότητα. Αρκεί να σκεφτεί κάποιος πως μεταξύ 1940 και 1962, κυκλοφόρησαν περισσότερες από 20 νέες κατηγορίες αντιβιοτικών, στο χρονικό διάστημα 1980-1984 εγκρίθηκαν 19 νέες αντιβακτηριακές ουσίες, ενώ από το 2010 έως το 2014 εγκρίθηκαν μόλις έξι! Καθώς αυτά τα αντιβιοτικά συνεχίζουν να χάνουν την αποτελεσματικότητά τους, χάνουμε κι εμείς την ικανότητά μας να θεραπεύουμε ακόμη και τις πιο βασικές ασθένειες. Η κατάσταση είναι τόσο σοβαρή που ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας θεωρεί την αντοχή των μικροβίων στα αντιβιοτικά ως «μία από τις μεγαλύτερες σύγχρονες απειλές για την παγκόσμια υγεία, την επισιτιστική ασφάλεια και την ανάπτυξη».

Οι περιοδικές εξάρσεις επιδημιών ή πανδημιών, δείχνουν πως ελάχιστες μεταλλαγές είναι αρκετές για να αυξήσουν δραματικά την παθογένεια ή τη μεταδοτικότητα ορισμένων παθογόνων παραγόντων. Ενδεικτικά, οι ενδονοσοκομειακές λοιμώξεις από υπερανθεκτικά παθογόνα, προβλέπεται ότι θα σκοτώσουν περισσότερους ανθρώπους από αυτούς που θα πεθάνουν από καρκίνο έως το 2050.

Το 2014, ο τέως πρωθυπουργός της Βρετανίας Ντέιβιντ Κάμερον ανέθεσε στον οικονομολόγο Jim O ‘Neill να διερευνήσει τις οικονομικές επιπτώσεις της αύξησης της αντίστασης των μικροβίων στα αντιβιοτικά. Σύμφωνα με την έκθεση του οικονομολόγου, 700.000 άτομα θα πεθαίνουν κάθε χρόνο εξαιτίας ανθεκτικών στα αντιβιοτικά μικροβίων σε παγκόσμιο επίπεδο, με εκτιμώμενο ετήσιο ποσό θνησιμότητας 10 εκατομμυρίων ατόμων έως το 2050. Ο O ‘Neill προέβλεψε επίσης ότι εάν η κρίση συνεχιστεί χωρίς ικανοποιητική ανταπόκριση η ελάττωση του παγκόσμιου πληθυσμού θα επιφέρει μείωση στην παγκόσμια οικονομική παραγωγή έως και 3,5 τοις εκατό, με κόστος 100 τρις. δολλάρια-περίπου 35 φορές το ΑΕΠ του Ηνωμένου Βασιλείου. Δυστυχώς έξι χρόνια αργότερα, δεν μπορούμε να πούμε πως βρισκόμαστε κοντύτερα στην επίλυση του προβλήματος.

Τα βακτήρια είναι «έξυπνα»

Η ανθεκτικότητα των μικροβίων στα αντιβιοτικά είναι ένα φυσικό φαινόμενο. Τα βακτήρια είναι «έξυπνα» και θα συνεχίσουν να αναπτύσσουν αντιστάσεις σε φαρμακευτικές ενώσεις. Χρειαζόμαστε λοιπόν νέα βιοδραστικά μόρια για τον ανεφοδιασμό της φαρμακευτικής φαρέτρας, τα οποία οι ειδικοί υποστηρίζουν πως σίγουρα θα προέλθουν από την φύση για άλλη μια φορά. «Πολλά από τα φάρμακα που χρησιμοποιούνται σήμερα, στηρίζονται σε χημικές ενώσεις που προέρχονται κυρίως από μικροοργανισμούς. Όμως, δεν είναι στην πραγματικότητα τα ίδια τα βακτήρια που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή αντιβιοτικών, αλλά οι μεταβολίτες τους, δηλαδή χημικές ενώσεις που παράγονται από αυτά ως υποπροϊόντα της ανάπτυξής τους. Με την αναγνώριση των γενετικών στοιχείων που ευθύνονται για τη βιοσύνθεση τους στο φυσικό περιβάλλον, μπορούμε να τα μεταφέρουμε σε επιλεγμένους μικροοργανισμούς (βιοεργοστάσια) ώστε να τις παράγουμε γρήγορα και με ασφάλεια», λέει ο Καθηγητής Εμμ. Τραντάς.

Από τα βάθη των ωκεανών και από τις νεκρές λίμνες στα ερευνητικά εργαστήρια η αρχική διαλογή των ακραιόφιλων ως προς την αντιμικροβιακή τους δράση, όπως εξηγεί ο Καθηγητής Ι. Παυλίδης βασίζεται στην εκτενή μελέτη επιλεγμένων στελεχών σε δύο επίπεδα: «Το πρώτο επίπεδο αφορά στην ταυτοποίηση, απομόνωση και χαρακτηρισμό των μεταβολιτών που παράγει ο κάθε μικροοργανισμός ώστε να ανακαλυφθεί η χημική δομή των μικροβιοκτόνων ενώσεων και το δεύτερο στην  ανάγνωση των γονιδιωμάτων και ανάλυση των μεταβολικών μονοπατιών ώστε να αποκρυπτογραφηθούν τα βιοσυνθετικά μονοπάτια παραγωγής αυτών των ενώσεων».

Οι προσπάθειες για την κατανόηση των αιτιών που οδηγούν στο σχηματισμό των μεταβολιτών, καθώς και οι εγγενείς μοριακοί μηχανισμοί της σύνθεσης και ο τρόπος δράσης τους θα βοηθήσουν στον σχεδιασμό και την κατασκευή βιοτεχνολογικών εργαλείων που θα εξοπλίσουν τη φαρέτρα των επιστημόνων και που μπορούν να αξιοποιηθούν τόσο στον τομέα της Κλινικής Μικροβιολογίας όσο και της αγροδιατροφής για την καταπολέμηση μικροβίων που υπονομεύουν την παραγωγή τροφίμων. Επίσης, μπορεί να αποτελέσουν πηγή χρήσιμων ουσιών (π.χ. ενζύμων και δευτερογενών μεταβολιτών) ευρύτερου βιοτεχνολογικού ενδιαφέροντος.

Πάντως σε μέχρι τώρα πειράματα, τα ακραιόφιλα έχουν επιτεθεί σε διεισδυτικά κύτταρα όπως στον καρκίνο ή σε επιβλαβή βακτήρια χωρίς να βλάψουν τα υγιή κύτταρα. Την ίδια ώρα φαρμακευτικές εταιρείες δείχνουν αυξανόμενο ενδιαφέρον για ένζυμα που παράγουν τα ακραιόφιλα, καθώς αυτά τα ένζυμα μπορούν να είναι λειτουργικά σε περισσότερους από 100 βαθμούς Κελσίου ή σε πολύ αλκαλικό pH.

Ποιες είναι ελληνικές ερευνητικές ομάδες

Εργαστήριο Ενζυμικής Τεχνολογίας (Επίκουρος Καθηγητής Ιωάννης Παυλίδης):

Το Εργαστήριο Ενζυμικής Τεχνολογίας του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Κρήτης λειτουργεί από το 2018 και είναι ενεργό τόσο σε βασική όσο και σε εφαρμοσμένη έρευνα που άπτεται των τομέων της ενζυμικής κατάλυσης και της πρωτεϊνικής μηχανικής. Τα ερευνητικά ενδιαφέροντα του εργαστηρίου εστιάζονται στην εύρεση νέων βιοκαταλυτών, στη βελτιστοποίηση τους με μεθόδους ενζυμικής μηχανικής, στην ακινητοποίηση τους σε νέα υλικά, στην ανάπτυξη βιοδιεργασιών και στην σύνθεση αλληλουχιών ενζυμικών αντιδράσεων (enzymatic cascades). Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην αειφορία των σχεδιαζόμενων διεργασιών, στην πράσινη χημεία και στις αρχές τις κυκλικής οικονομίας.

Το εργαστήριο Μικροβιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Καθηγητή Παναγιώτη Σαρρή (Τμήμα Βιολογίας του Παν Κρήτης και του ΙΜΒΒ-ΙΤΕ):

Το εργαστήριο Μικροβιολογίας και Βιοτεχνολογίας του Καθηγητή Π.Σαρρή, ασχολείται με την μελέτη των μοριακών αλληλεπιδράσεων παθογόνου-ξενιστή, την ανάλυση μικροβιακών γονιδιωμάτων και γονιδιωμάτων ανώτερων οργανισμών μελετώντας τον τρόπο που αυτά ελέγχουν τόσο την παθογένεια των μικροβίων όσο και την άμυνα του ξενιστή. Η ομάδα του Δρ. Σαρρή έχει δημιουργήσει μία συλλογή μικροβιακών απομονώσεων από διαφορετικά ακραία περιβάλλοντα και η οποία αποτελεί την βάση της συνεργασίας των τεσσάρων εργαστηρίων.

(Σαρρής Lab: https://www.biology.uoc.gr/el/personnel/7714).

Καθηγητής Εμμανουήλ Τραντάς, Εργαστήριο Βιολογικών και Βιοτεχνολογικών Εφαρμογών, τμήμα Γεωπονίας, Ελληνικό Μεσογειακό Πανεπιστήμιο

Το Εργαστήριο Βιολογικών και Βιοτεχνολογικών Εφαρμογών αποτελεί έναν «οργανισμό» υλοποίησης εφαρμοσμένης έρευνας που δραστηριοποιείται σε τρέχοντα θέματα που καλύπτουν τον φυτικό και μικροβιακό κόσμο. Στοχεύει στην ανάπτυξη της Γεωπονικής επιστήμης μέσω της αξιοποίησης σύγχρονων τεχνικών και τεχνολογιών Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας. Σε συνεργασία με τα υπόλοιπα μέλη του εργαστηρίου, που πλαισιώνουν επιστημονικά το πεδίο της Βιοχημείας και της Μικροβιολογίας, τον Καθηγητή κ. Φίλιππο Βερβερίδη και τον Καθηγητή κ. Δημήτρη Γκούμα αντίστοιχα, προσπαθούμε να δώσουμε απαντήσεις σε σύγχρονα προβλήματα του αγροτικού κόσμου μέσω της στόχευσης στην καινοτομία και στην άμεση εφαρμογή της παραγόμενης γνώσης. Περισσότερες πληροφορίες υπάρχουν στο σύνδεσμο του εργαστηρίου στον ιστοτόπο του τμήματος Γεωπονίας (https://www.hmu.gr/lbba/el).

Η ομάδα Μικροβιακής Οικολογίας του Δρ. Ηλία Λαγκουβάρδου:

Η ομάδα του Δρ Η. Λαγκουβάρδου μελετά την μικροβιακή οικολογία με την ανάλυση γονιδιωματικών δεδομένων χρησιμοποιώντας βιοπληροφορικές μεθόδους και εργαλεία για την αντιμετώπιση ερωτημάτων που σχετίζονται με τη μικροβιακή ποικιλομορφία και οικολογία. Ο πρωταρχικός στόχος της ερευνητικής ομάδας του Δρ. Λαγκουβάρδου είναι η διευκρίνιση του ρόλου των διακριτών μικροβιακών συνθέσεων στην ανθρώπινη υγεία και ασθένεια μέσω της αλληλουχίας του ευπροσάρμοστου 16S rRNA γονιδίου. Επιπλέον, διερευνά τις αλληλεπιδράσεις σύνθετων μικροβιακών κοινοτήτων με βάση τις γονιδιωματικές και μεταγονιδιωματικές αναλύσεις των κοινοτήτων αυτών.