Lactobacillusy – królowie życia

Metabolizm lactobacillusów

Lactobacillusy, podobnie jak wszystkie żywe organizmy, potrzebują węgla oraz energii. Ich preferowanym źródłem energii jest proces glikolizy. Nazywana antyczną ścieżką metaboliczną, glikoliza to seria reakcji, która przekształca cząsteczkę glukozy w trójwęglowe pirogroniany, uwalniając energię. W środowisku pozbawionym dostępu tlenu pirogonian przekształcany jest dalej w mleczan. Niektóre lactobacillusy, nazywane heterofermantatywnymi, w procesie fermentacji obok kwasu mlekowego produkują też pewne ilości kwasu octowego oraz etanolu. Bakterie te potrafią przekształcać dwucukry, dzięki czemu preferują szlaki metaboliczne rozkładające fruktozę i laktozę, co jest istotnym elementem ich przystosowania środowiskowego. W tej grupie znajdziemy lactobacillusy wolnożyjące, izolowane głównie z roślin lub produktów fermentacji roślin. Kluczem do ich wolności jest zdolność fermentowania pentoz, dzięki czemu zgodnie koegzystują z glukozożernym drożdżami w wielu naturalnych stanowiskach. Pentozy (cukry pięciowęglowe, takie jak fruktoza) powstają w procesie rozpadu budulcowego materiału roślinnego – chemicelulozy. Najbardziej znanym lactobacillusem w tej grupie jest L. buchneri. Toleruje on obecność tlenu, rozwija się już w temp 15°C i woli żywić się fruktozą niż glukozą.

Cechą lactobacillusów świadczącą o ich przyzwyczajeniu do życia w luksusie są liczne auksotrofie, czyli braki zdolności do samodzielnej syntezy aminokwasów, nukleotydów czy witamin. Ponadto lactobacillusy praktycznie nie wytwarzają enzymów zewnątrzkomórkowych, co jest typowe dla jednokomórkowców. Ich gospodarka węglowa polega niemal wyłącznie na pobieraniu z otoczenia cukrów prostych oraz złożonych i ich wewnątrzkomórkowym metabolizmie.

Związki lactobacillusów ze zwierzętami i ludźmi

Adaptacja do życia w organizmie żywiciela jest logicznym wyborem dla rozpieszczonej bakterii. Z łatwością zaspokaja swoje potrzeby żywnościowe i temperaturowe, mając do wyboru liczne przestrzenie w organizmach kręgowców i bezkręgowców. Tym bardziej, że podziela ich wybory żywieniowe, gustując w roślinach, owocach lub nektarach, zasobnych w węglowodany, aminokwasy, witaminy czy nukleotydy. Na dodatek przystosowanie do życia w organizmach zwierząt zapewnia im darmowy transport, ułatwiający ekspansję. Niespokojna natura lactobacillusów sprawia, iż mimo tysięcy lat wspólnej ewolucji nie wszystkie mogą być traktowane jako rdzenne dla poszczególnych organizmów żywicieli. Wśród tych, które mają cechy autochtonów spotykamy specjalistów zamieszkujących wybrane obszary organizmów żywiciela. Największy stopień specjalizacji wykazują lactobacillusy zamieszkujące waginę. Tamtejszą mikrobiotę dominują L. iners, L. crispatus, L. jenseni i L. gasseri. Gatunki L. jenseni i L. inners zamieszkują wyłącznie tę niszę, a drugi z nich wykazuje skrają adaptację do wybranego miejsca życia i nie potrafi przetrwać nigdzie indziej. L. iners ma najkrótszy genom spośród znanych lactobacillusów, produkuje specjalne białko chroniące go przed H₂O₂ produkowanym przez innych mieszkańców waginy oraz potrafi wyjątkowo silnie przywierać do komórek nabłonka pochwy.

Takie gatunki jak: L. reuteri, L. ruminis, L. jonsonii, L. salivarius, L. cipatus, L. acidophilus i L. vaginalis są zaliczane do lactobacillusów przystosowanych do życia w organizmie gospodarza, lecz nie trzymają się tak ściśle wybranego miejsca. Natomiast poszczególne szczepy zaliczane do gatunków takich jak L. reuteri, L. ruminis czy L. jonsonii wybrały na swoich gospodarzy konkretne gatunki zwierząt. L. reuteri jest gatunkiem uznawanym za rodzimy dla obszaru jelita grubego człowieka i jego genom odzwierciedla to przystosowanie w zakresie zdolności adhezyjnych oraz enzymatycznych. Gatunek ten jest często wykorzystywany jako modelowy przykład rozwoju u lactobacillusów mechanizmu przystosowania do życia w określonych warunkach. Na przykład kluczowym przystosowaniem szczepów gatunku L. reuteri żyjących w organizmach gryzoni i drobiu jest wysoka odporność na kwas żołądkowy i zdolność tworzenia biofilmu. Dzięki temu przystosowały się do życia w przedżołądkach tych zwierząt stadnych, co zapewnia im dostęp do wielu osobników. Ciekawym przypadkiem jest gatunek L. ruminis. Szczepy, które przystosowały się do życia w organizmie człowieka nie są wyposażone we flagelle, czyli specjalne „ogonki” umożliwiające im poruszanie się. Podczas gdy szczepy tego gatunku żyjące w organizmach bydła, świń czy koni takie „ogonki” wykształciły.

Przykładem bakterii uniwersalnej jest L. salivarius, uznawany za rdzennego mieszkańca jamy ustnej człowieka. Jednak zidentyfikowano go również w mleku matki, w wielu miejscach układu pokarmowego, drogach rodnych oraz w ludzkich odchodach. Co więcej, szczepy tego gatunku z powodzeniem radzą sobie w organizmach wielu innych zwierzą, nie wykazując przy tym jakichś widocznych zmian w genomie, związanych ze specjalizacją. Podobną charakterystyką wykazują się gatunki L. vaginalis i L. gasseri, które oznaczane są zarówno we florze jamy ustnej, dróg rodnych czy florze jelitowej, bez oznak specjalizacji, jak to ma miejsce we wspomnianym przypadku L. reuteri czy L. jonsonii.

Lactobacillusy w układzie pokarmowym człowieka

Większość lactobacillusów oznaczanych w jelitach człowieka nie tworzy stabilnych populacji. Najczęściej określa się je mianem allochtonicznych, czyli obcych, ponieważ pochodzą z reguły z żywności. Mimo tego spora część lactobacillusów nauczyła się przez jakiś czas żyć w układzie pokarmowym człowieka (i nie tylko) w całej jego rozciągłości. Warto tu wspomnieć takie gatunki jak L. plantarum, L. casei, L. paracasei czy L. rhamnosus. Bakterie należące do tych gatunków odznaczają się długim genomem, bez oznak ścisłej specjalizacji, dzięki czemu zalicza się je do bakteryjnych włóczęgów, które dadzą sobie radę wszędzie. L. plantarum oraz L. casei stopniem elastyczności metabolicznej dorównują bakteriom wolnożyjącym. Posiadają między innymi warunkową zdolność oddychania tlenem oraz odżywiania się szeroką paletą węglowodanów. L. casei izolowany z sera, podobnie jak ludzie nie potrafi syntezować rozgałęzionych aminokwasów, ale potrafi syntezować pozostałe, więc radzi sobie w środowisku ubogim w białko. W procesie ewolucji szczepy te początkowo związane z roślinami nauczyły się żyć w układzie pokarmowym zwierząt żywiących się roślinami, zapewniając sobie skuteczny mechanizm rozprzestrzeniania. Ich długi genom stanowi zasób genetyczny, z którego mogą korzystać w miarę zmieniających się potrzeb.

Wyniki licznych badań próbek kału pobranych od ludzi wskazują na obecność wszystkich grup lactobacillusów w układzie pokarmowym człowieka. Oznacza to, że bakterie z tej rodziny, które nie związały się na stałe z człowiekiem, są regularnie wprowadzane do układu pokarmowego z jedzeniem. Potrafią zachować aktywność metaboliczną i posiadają potencjał oddziaływania na fizjologię człowieka. Ewolucyjna historia poszczególnych gatunków ma jednak wpływ na charakter odziaływania z organizmem człowieka i stanowi kluczowy parametr w procesie projektowania ich zastosowania terapeutycznego. Szczepy bakterii ewolucyjnie związane z człowiekiem wykazują się dużą aktywnością w układzie pokarmowym człowieka i z łatwością konkurują z patogenami. Ich obecność korzystnie wpływa na żywiciela, a układ immunologiczny wykazuje głęboką tolerancję. W przypadku, kiedy celem terapeutycznym jest pobudzenie układu immunologicznego człowieka, właściwym wyborem są szczepy nie pozostające z nami w ścisłym ewolucyjnym związku.