Badania stypendysty NAWA mogą pomóc w skutecznym stosowaniu antybiotyków na bakterie na nie odporne.

Antybiotyki jako środki zwalczające groźne choroby były jednym z przełomów nowoczesnej medycyny. Niestety, coraz częściej dochodzi do chorób, wywoływanych przez bakterie odporne na działanie antybiotyków, co stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia a nawet życia wielu osób, szczególnie w szpitalach, gdzie przebywają pacjenci osłabieni innymi schorzeniami. W skuteczniejszym stosowaniu antybiotyków mogą pomóc badania dr. Karola Makucha z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, który pracował nad swoją innowacyjną metodą analizowania wpływu antybiotyków na bakterie podczas stypendium NAWA w ramach Programu im. Bekkera w California Institute of Technology (CALTECH) w USA. Metoda polega na obserwacji zmian w zachowaniu bakterii, zamkniętych w kroplach płynu.

NAWA: W jaki sposób wyniki Pana badań naukowych mogą zmienić praktykę badania próbek biologicznych? Jak może to pomóc chorym?

Dr Karol Makuch, Instytut Chemii Fizycznej PAN: Antybiotykooporność nie jest jednakowa dla całego gatunku czy szczepu bakterii. Nawet w obrębie jednej populacji mogą się znaleźć osobniki bardzo podatne na działanie antybiotyków oraz te niemal całkowicie odporne. To jest jedno z wyzwań, z jakimi spotykają się lekarze, gdy stosują antybiotyki. Podanie jednorazowo dużej dawki leku może sprawić, że antybiotyk zostanie rozłożony przez stosunkowo słabsze bakterie, zanim zdąży zniszczyć silniejsze. Oczywiście słabsze przy tym zginą, ale pomogą silniejszym przetrwać. I tu pojawia się poważny problem, ponieważ bakterie nabierają odporności bardzo szybko. Przebywanie i namnażanie się w środowisku zawierającym antybiotyk jest dla nich jak siłownia. Wkrótce lek może całkowicie przestać na nie działać. Rozwiązaniem może być podanie w pierwszej kolejności małej dawki, która zniszczy słabsze osobniki, a silniejszym nie da czasu na wykształcenie odporności. W kolejnym kroku stosuje się większą dawkę, która poradzi sobie z najsilniejszymi bakteriami, pozbawionymi już wsparcia słabszej części populacji. Nasze badania służą wypracowaniu narzędzia, które może pomóc dokładniej sprawdzić antybiotykooporność danej populacji bakterii z uwzględnieniem różnic pomiędzy poszczególnymi częściami tej populacji.

Jak to działa?

Nasza metoda ma zastosowanie do obserwacji bakterii, które z natury są pływakami, to znaczy potrafią samoistnie przemieszczać się w płynie. Do takich bakterii należą E. coli. Człowiek jest w stanie przepłynąć w ciągu sekundy ok. jednej długości swojego ciała. Bakteria E. coli w tym samym czasie może pokonać nawet 30 – 40 długości swojego ciała. Jest więc naprawdę znakomitym pływakiem. Tę ruchliwość można zaobserwować łatwo w sytuacji, gdy bakterie znajdują się w kroplach cieczy, wprawionych w ruch. W uproszczeniu można powiedzieć, że oglądamy pod mikroskopem krople płynu, tłoczone przez rurkę, jednostajnie w tym samym kierunku. Krople mają średnicę ludzkiego włosa, a w każdej z nich jest kilka tysięcy bakterii. Jeśli w kropli znajdują się nieruchome bakterie, to widzimy chmurę bakterii rozłożoną w miarę równomiernie na tle płynu. Natomiast w przypadku bakterii pływających, widzimy, że chmury bakterii gromadzą się z przodu lub z tyłu kropli (względem kierunku jej poruszania się). Uporządkowany ruch bakterii jest reakcją na wiry, powstające wewnątrz kropli w trakcie tłoczenia przez rurkę. Wzorzec ruchu zależy od tempa i sposobu pływania. W ten sposób, patrząc na chmury bakterii w kroplach, można zaobserwować ewentualne zmiany w intensywności poruszania się bakterii.

Czyli można odróżnić bakterie żywe od nieżywych?

Tak, ale nie tylko. Wiemy że antybiotyki działając na bakterie mogą najpierw powodować zmiany w ich ruchliwości. Obserwacje wzorców poruszania się skupisk bakterii w kroplach mogą stać się wówczas szybką i dokładną metodą oceny oddziaływania antybiotyków na populację. Może to pozwolić na znaczące przyspieszenie badań nad antybiotykoopornością danej populacji bakterii. Obecnie takie obserwacje wymagają czekania na ewentualny wzrost bakterii. Czyli po podaniu dawki antybiotyku trzeba czekać wiele godzin, nawet dobę, aby przekonać się, czy bakterie się mnożą, czy też populacja nie toleruje antybiotyku. Precyzyjne narzędzie do obserwacji natychmiastowych zmian byłoby bardzo pomocne. 

I takie narzędzie rozwijał Pan podczas stypendium?

Podczas stypendium prowadziłem symulacje komputerowe, które ku mojemu zaskoczeniu ukazały różne wzorce poruszania się pływających bakterii w kroplach cieczy. Nasze obserwacje sugerują, w jaki sposób skonstruować narzędzie przydatne dla biologów i lekarzy w badaniu antybiotykooporności i w poszukiwaniu nowych antybiotyków. Teraz w Instytucie Chemii Fizycznej pracujemy nad głębszym zrozumieniem tego zjawiska oraz nad narzędziami do badania antybiotykooporności. Kluczem jest zbudowanie takiego narzędzia, które pozwoli spojrzeć na antybiotykooporność dokładniej niż dotychczas. Tylko wówczas jest szansa, by dostrzec coś przełomowego i wykorzystać do celów związanych z medycyną.

W jaki sposób stypendium NAWA wpłynęło na Pana rozwój naukowy?

Była to okazja do poznania zupełnie dla mnie nowych zagadnień, które były doskonałym uzupełnieniem mojej dotychczasowej wiedzy i akurat były mi potrzebne do wykonania zaplanowanych badań. Dzięki stypendium na Caltechu i współpracy tam z Johnem Brady zapoznałem się bliżej z fizyką materii aktywnej, co jest kluczowe dla badania ruchliwości bakterii. Po drugie chciałem napisać szybki i efektywny program komputerowy, umożliwiający symulację badanych procesów. I właśnie podczas stypendium miałem okazję poznać znakomitych specjalistów, którzy przeprowadzają zaawansowane symulacje z wykorzystaniem kart graficznych. Poprawiłem moje umiejętności programistyczne i zapoznałem się z technikami, które bardzo ułatwiły badania.

Czy właśnie tym argumentem – czyli interdyscyplinarnością -  zachęciłby Pan innych naukowców do zainteresowania się stypendium NAWA w ramach Programu Bekkera?

Też, chociaż to pewnie zależy od indywidualnych preferencji. Natomiast szczególną zaletą tego programu jest fakt, że przy wyłanianiu stypendystów ma znaczenie jakość jednostki naukowej, obranej za cel wyjazdu. Bardzo się ucieszyłem, kiedy przeczytałem kryteria oceny wniosków w Programie im. Bekkera. Są takie instytucje naukowe, które stanowią szczególne środowisko, stymulujące rozwój i łączące kompetencje, aby uzyskać unikatowe rezultaty. Historycznie takim miejscem był np. Uniwersytet w Padwie, który w swoim czasie był czołowym ośrodkiem akademickim na świecie i wykształcił wielu znamienitych ludzi, w tym trzech wielkich Polaków epoki renesansu: Jana Kochanowskiego, Mikołaja Kopernika i Jana Zamoyskiego. W mojej ocenie Caltech jest takim miejscem obecnie. I dzięki stypendium mogłem w tym wyjątkowym miejscu pracować.

Dziękujemy za rozmowę.

Zdjęcie: Archiwum prywatne dr. Karola Makucha

Doktor Karol Makuch z Instytutu Chemii Fizycznej PAN jest fizykiem pracującym w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Kształcił się na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego w zakresie fizyki teoretycznej, gdzie pod kierunkiem prof. Bogdana Cichockiego obronił doktorat w 2011 r. Wówczas rozpoczął badania w ramach fizyki kwantowej. W 2015 r. rozpoczął pracę nad eksperymentami mikrofluidycznymi oraz biofizycznymi w Instytucie Chemii Fizycznej. Główne nurty badań naukowych dr. Makucha dotyczą opracowywania sposobów pomiaru antybiotykooporności bakterii na poziomie pojedyńczych komórek oraz sformułowania fenomenologicznych praw ruchu małych obiektów (np. białek) w cieczach złożonych takich jak cytoplazma komórkowa. W 2019 r. wyjechał na roczne stypendium w California Institute of Technology w USA, gdzie rozpoczął pracę nad fizyką stanów nierównowagi w kontekście eksperymentów nad antybiotykoopornością bakterii.

- Pasjonuje mnie w mojej pracy to, jak bardzo szerokie kręgi na płaszczyźnie wiedzy zakreśla nieraz próba opisu niepozornego eksperymentu lub zjawiska. I odwrotnie, pasjonuje mnie w jaki sposób zrozumienie jednego zjawiska umożliwia zrozumienie szerokiej klasy pozornie niepowiązanych z nim zjawisk przyrody – mówi dr Karol Makuch.

Jak dostać grant NAWA w ramach Programu im. Bekkera? 

Szczegółowe informacje o programie NAWA znajdują się TUTAJ

Zdjęcie na stronie głównej: ©nenetus stock.adobe.com.