Автономни клетки срещу генетични контейнери
Биологичният анализ на микросвета изисква първо да се премахне натрупаната интелектуална мъгла около терминологията. Бактерията е напълно завършена, независима биохимична единица. Тя притежава собствена клетъчна мембрана, цитоплазма, рибозоми за синтез на белтъци и метаболитен апарат, който и позволява да усвоява хранителни вещества от околната среда. При наличност на минимални ресурси – субстрат, влага и съответната температура – повечето бактерии се възпроизвеждат самостоятелно чрез просто делене. Макар че съществуват облигатни вътреклетъчни паразити, като Chlamydia trachomatis, те представляват еволюционно специализирано малцинство, а не базово правило.
Вирусът е изграден по напълно различен инженерно-биологичен модел. При него липсва каквато и да е клетъчна структура, метаболизъм или независима енергийна система. На физическо ниво вирусната частица (вирион) представлява нуклеинова киселина – ДНК или РНК – затворена в белтъчна обвивка, наречена капсид, понякога допълнена от липиден слой, извлечен от клетката-гостоприемник. Извън живия организъм вирусът остава инертен конгломерат от макромолекули. Той не консумира енергия, не расте и не реагира на външни дразнители по начина, по който го правят клетъчните форми.
Разликите в мащаба също са определящи от гледна точка на физиката. Бактериалните размери обикновено варират между 0.5 и 5 микрометра, докато стандартните вируси се намират в диапазона от 20 до 300 нанометра. Разликата в тонажа и обема е от порядъка на десетки и стотици пъти. Именно този физически размер обяснява защо бактериите са идентифицирани още през XVII век от Антони ван Льовенхук с оптичен микроскоп, докато вирусите са доказани едва в края на XIX век от Дмитрий Ивановски и Мартинус Бейеринк чрез порцеланови филтри на Чамберланд, задържащи всички познати тогава клетки.
Сивата зона на биологичната класификация
Дефиницията дали вирусите са живи организми остава предмет на дискусия в вирусологията и фундаменталната биология. Според документите от Международния комитет по таксономия на вирусите, те се разглеждат като неподвижни биологични образувания със свойства на репликация, но само в съответна клетъчна среда. Вътре в клетката вирусното РНК или ДНК поема контрола върху клетъчния рибозомен апарат, като го принуждава да синтезира вирусни белтъци вместо собствени. Този процес продължава до изчерпване на ресурсите на клетката или до нейното физическо разпадане (лиза).
Границата между двата свята се усложни допълнително след откриването на гигантските вируси през 2003 г. от изследователския екип на Бернар Ла Скола в Марсилия. Откритият в амеби Acanthamoeba polyphaga т.нар. Mimivirus притежава диаметър от около 750 нанометра и геном с над 1.2 милиона бази, съдържащ гени за компоненти на транслационната система. По размер и геномен обем този вирус надминава редица паразитни бактерии като Mycoplasma genitalium. Подобни открития показват пробойни в теорията за строгото разделение между клетъчни и неклетъчни форми и потвърждават, че биологичните граници са значително по-пластични от класическите учебникарски схеми.
За пълнота на картината трябва да се отбележат и археите. Външно сходни с бактериите, те притежават уникални мембранни липиди и транскрипционен апарат, който еволюционно ги поставя по-близо до еукариотите. Наличието им в най-екстремните среди на планетата – от хидротермалните извори на океанското дъно до силно киселинни води – показва, че микробиологичната матрица на Земята е многослойна структура.
Геологически и биохимичен принос на микробите
Физическата история на Земята е пряко свързана с бактериалната активност. Натрупаните геоложки данни потвърждават, че преди приблизително 2.4 милиарда години цианобактериите осъществяват т.нар. Голяма оксидационна събитие. Чрез фотосинтеза тези микроорганизми отделят кислород като страничен продукт, променяйки химическия състав на атмосферата и океаните. Този процес води до утаяването на огромни железорудни пластове по целия свят и създава биохимичните условия за появата на по-сложни аеробни организми.
Повечето бактериални щамове нямат патогенен характер. Почвените бактерии от рода Streptomyces синтезират органичното съединение геосмин, което отговаря за характерната миризма на влажна земя след дъжд. В човешкия стомашно-чревен тракт бактериалната флора синтезира жизненоважни съединения, включително витамин К и витамини от група Б, като същевременно участва в разграждането на комплексни въглехидрати. Изключения съществуват, но щамовете, причиняващи холера, туберкулоза или тетанус, са сравнително малък процент от цялото бактериално разнообразие.
Фармакологичните лимити и механизмът на антибиотиците
Неразбирането на клетъчната биохимия води до масова прекомерна употреба на антибактериални препарати при вирусни инфекции. Антибиотиците действат върху строго специфични за бактериите структури. Пеницилините и бета-лактамите блокират синтеза на пептидогликановата клетъчна стена. Тетрациклините и макролидите се свързват с 30S или 50S субединиците на бактериалните рибозоми, като спират белтъчния синтез. Флуорохинолоните блокират ензима ДНК-гираза, необходим за спирализацията на бактериалната ДНК.
Тъй като вирусите нямат клетъчна стена, нямат собствени рибозоми и ползват ензимите на гостоприемника, тези молекулярни мишени просто липсват. Приложението на антибиотик срещу остър респираторен вирус няма никакъв терапевтичен ефект върху вириона, но създава селекционен натиск върху естествената чревна микрофлора. Това води до унищожаване на чувствителните бактериални щамове и оставя място за размножаване на резистентни популации. Прилагането на антибактериални средства при вирусни заболявания е оправдано единствено при вторични бактериални суперинфекции, като пневмония, потвърдени с лабораторни изследвания и бактериологични посявки.
Обменянето на резистентност между бактериите се извършва чрез хоризонтален генен трансфер. Чрез плазмиди – малки, автономни пръстеновидни ДНК молекули – бактериите предават гени за резистентност дори между различни видове. Този механизъм застрашава да превърне клиниките в архивно гробище за класическите антибиотични схеми, ако не бъдат разработени алтернативни подходи.
Бактериофагите: естественият контролен механизъм
Най-разпространените биологични единици на Земята са бактериофагите – вируси, специализирани в инфектирането на бактерии. Оценките сочат, че общият им брой на планетата е от порядъка на 10 на тридесет и първа степен частици. Всеки фаг притежава икосаедрична глава, съдържаща генетичен материал, и опашна структура с белтъчни влакна, които разпознават специфични рецептори върху бактериалната стена.
След закрепване фагът инжектира своята ДНК или РНК в бактерията, превръщайки я в биореактор за нови фагови частици. В океанските екосистеми бактериофагите унищожават ежедневно между 20 и 40 процента от бактериалната биомаса, с което регулират въглеродния и азотния цикъл в глобален мащаб.
Фаговата терапия е разработена за първи път от Феликс д'Ерел и Николаи Елиава през 20-те години на XX век. В Института по бактериофаги в Тбилиси, Грузия, методът се прилага непрекъснато в продължение на десетилетия, включително за лечение на раневи инфекции и дизентерия. За разлика от широкроспектърните антибиотици, бактериофагът е високоспецифичен снайпер: той атакува единствено целевия бактериален щам, без да уврежда нормалната микрофлора. Нарастващата резистентност към стандартните антибиотици връща интереса на западните медицински центрове към тези вирусни препарати.
