Mégsem élnek a világ legkisebb bogyói

A tudomány egyik legnagyobb vitája a nanobaktériumok körül zajlik, amelyek több ezerszer kisebb alakzatok, mint ennek a mondatnak a végén a pont. A kutatók egy része szerint ezek a létező legkisebb élőlények, mások viszont úgy vélik, hogy ez épp a méretük miatt nem lehetséges: egyszerűen nem férnek el bennük az általunk ismert élet alkotóelemei. Új kutatási eredmények eldönthetik a kérdést: ezek szerint a nanobaktériumok élettelen kristályos szerkezetek, mégis nagy szerepet játszhatnak egészségünk fenntartásában.

A nanobaktériumok (nanoorganizmusok, nanobák, nannobaktériumok) olyan alakzatok, amelyek mérete 20 és 150 nanométer között mozog. Ez valóban igen apró méret, tekintve, hogy a nanométer a méter egymilliárdod része (10^-9 méter), ami körülbelül 10 db egymás mellett lévő hidrogénatom szélességének felel meg. A nanobaktériumokat - kövület formájában - az 1990-es évek elején fedezte föl Robert L. Folk geológus olaszországi kőzetmintákban. Folk úgy vélte, hogy ezek a nyomok parányi ősi baktériumok lenyomatai, ezért is adta a gömbszerű alakzatoknak a nanobaktérium elnevezést. Fölfedezése eleinte még tudományos körökben sem váltott ki különösebb érdeklődést.

Nanobaktériumok a meteoritokban

Gyökeresen megváltozott a helyzet 1996-ban, amikor a NASA kutatói bejelentették, hogy nanobaktérium-szerű fosszíliára bukkantak egy Marsról származó meteoritban. Az Antarktiszon talált ALH84001 jelű meteoritban David S. McKay fedezett föl pálca alakú nanofosszíliákat. Ezek az első bizonyítékai lehettek volna egy Földön kívüli életformának, ezért kutatók hada kezdte vizsgálni a nanobaktériumok tulajdonságait. Sokan azonban kezdettől fogva úgy vélték, hogy a nanobaktériumok nem elégséges méretűek ahhoz, hogy élők legyenek (lásd első keretes írásunkat).

Az ALH84001 meteorit és egy benne talált nanobaktérium (a hosszú, pálcikaszerű képződmény)

Az első kísérletek az élőlény-hipotézist látszottak alátámasztani. 1998-ban két kutató, Olavi Kajander és Neva Ciftcioglu a finnországi Kuopioi Egyetemen megvizsgálták a sejttenyészeteiket megfertőző kis "szennyező részecskéket". Kimutatták, hogy ezek a szennyeződések nagyon hasonlítanak a Folk által fölfedezett nanobaktériumokra. A finn kutatóknak DNS-t is sikerült kimutatniuk a nanorészecskékben. A kutatók a nanobaktériumok alakváltozását (ami az élet egyik jele lehet) is megfigyelték: kis gömbökből kristályos filmekké vagy csomókká alakultak. Kiderítették, hogy a nanobaktériumokat hidroxi-apatit burok veszi körül. (Az apatit kalciumból és foszfátból álló komplex kristályos vegyület, amely mindenütt megtalálható a természetben, az emlősök csontjaitól kezdve egyes gerinctelenek héjáig.)

A legérdekesebb felfedezésük azonban az volt, hogy a nanobaktériumok szinte minden vizsgált állati és emberi testnedvben - vérben, nyálban vizeletben stb. - előfordulnak. A kutatók arra következtettek, hogy a parányi "kórokozók" valószínűleg szerepet játszanak az abnormális ásványlerakódásokkal kapcsolatos betegségekben, így például a vesekövek, érelmeszesedések kialakulásában.

Milyen apró lehet az élet?

Beleférne-e a nanobaktériumokba az általunk ismert élethez szükséges biokémiai-genetikai apparátus? Ahogyan az egyre nagyobb teljesítményű mikroszkópokkal egyre mélyebben pillantottunk az élet világába, a biológusoknak szembe kellett nézniük a kérdéssel: hol vannak az alsó méretkorlátok az élőlények számára? Mi az a határ, amely alatt egy szerveződési rendszer már nem nevezhető élőnek?

A kérdés bizonyos szemszögből persze felszínesnek is tűnhet, mivel még arra sincs megnyugtató meghatározásunk, hogy mi az élet. Mégis, amennyiben az általunk élőnek tekintett biológiai rendszereket vizsgáljuk, akkor előbb-utóbb el kell érnünk azt a mérettartományt, aminél kisebb térrészbe ezek legalapvetőbb alkotóelemeit egyszerűen nem lehet bezsúfolni.

Minden iskolás tudja, hogy a jelenleg elfogadott nézetek szerint a legkisebb élőlények a baktériumok. Ezek mérete 0,2 és körülbelül 500 mikrométer között változik, de átlagosan 20 mikrométer. (A mikrométer a méter egymilliomod része.) A baktériumok sejtmag és sejtszervecskék nélküli, ún. prokarióta élőlények, így a jelenlegi földi élővilág legalacsonyabb szerveződési szintjét képviselik. Genetikai állományuk rendszerint egyetlen kör alakú kromoszómából áll.

Mi a helyzet a vírusokkal? A vírusok valóban nagyságrendekkel kisebbek (nanométeres nagyságrend, azaz a méter egymilliárdod része). A vírusok azonban nem élőlények. Csak gazdaszervezetben mutatnak életjelenségeket, az általuk megtámadott sejt anyagcsere-apparátusát használják fel saját alkotórészeik legyártásához. Így egy vírus nem tartalmaz például riboszómákat (amelyek a fehérjemolekulákat készítik) - alapvetően csupán egy fehérjeburokból, genetikai állományból (ami RNS is lehet) és néhány enzimből áll, ami főleg behatolásához szükséges. A vírusok modern meghatározása: fertőzőképes genetikai információ.

Viták a nanobaktériumok élő voltáról

A finn kutatók eredményei ellenére továbbra is sokan kételkedtek abban, hogy a nanobaktériumok élő szervezetek. A kétkedők véleményét erősítette John O. Cisar 2000-es kísérlete, aki megfigyelte, hogy a sejtmembránok alkotórészei, a foszfolipidek hajlamosak megkötni mind a kalciumot, mind a foszfátot, és ilyenkor a finn kutatócsoport által leírt nanobaktériumokra kísértetiesen hasonlító alakzatok jönnek létre. Cisar azt is kimutatta, hogy a nanobaktériumoknál ismertetett DNS-szekvenciáknak megfelelő DNS-szekvenciák előfordulnak a laboratóriumi oldatokat és üvegedényeket szennyező közönséges baktériumok genomjában is.

Ezután a nanobaktériumok kutatása vesztett a kezdeti lendületéből, egészen 2004-ig, amikor újabb szenzációsnak tűnő kísérleti eredményeket publikált a Mayo klinika kutatócsoportja John C. Lieske és Virginia Miller vezetésével. A tanulmány szerint új bizonyítékokat találtak arra: a nanobaktériumok valóban élőlények, sőt számos betegség kórokozói lehetnek. A kutatók beteg ("elmeszesedett") artériákból és szívekből izoláltak nanobaktériumokat. A sebészeti eljárásokból visszamaradt szöveteket nagy teljesítményű elektronmikroszkóppal vizsgálták, és beszámolójuk szerint 30-100 nanométer átmérőjű gömböcskéket fedeztek fel, amelyek sejtfallal is rendelkeztek.

Nanobaktériumok (mesterségesen színezett elektronmikroszkópos felvétel)

A szöveteket ezután összetörték, és egy olyan szűrőn engedték át, amelyen minden 200 nanométernél nagyobb alakzat fennakadt. A megszűrt anyagot steril táptalajra vitték, ahol állításuk szerint a nanobaktériumok szaporodtak, sőt a DNS-festésre is pozitívan reagáltak, illetve olyan anyagot kötöttek meg, amely az RNS egyik fontos kémiai komponense. Lieske és munkatársai ezek alapján azt állították, hogy a nanobaktériumok folyamatosan szintetizálnak nukleinsavakat.

Ezután a publikáció után újra fellángolt a vita a nanobaktériumok körül. Most már nemcsak az volt a kérdés, vajon élőlények ezek a részecskék, hanem az is, hogy valóban kórokozók-e. Egyesek (például az említett finn kutatócsoport) annyira meg voltak győződve mindkét állításról, hogy - persze nem elhanyagolható üzleti érdektől vezérelve - nanobaktérium-kimutató kiteket kezdtek forgalmazni.

A legújabb kutatások szerint a nanobaktériumok nem élőlények

Az egyik legutóbbi kutatási eredmény szerint (amelynek összefoglalóját a Scientific American 2010. januári száma is közli) a nanobaktériumok egyszerű ásványnövekedéssel létrejövő alakzatok, és nem élőlények. John D. Young, a tajvani Chang Gung Egyetem kutatója, és doktorandusza, Jan Martel kísérletek egész sorát végezték el, hogy eldöntsék az élő-élettelen vitát. 2007-től folytatott vizsgálataik azonban teljesen más eredményt hoztak, mint amire számítottak.

A kutatók szerint a sok erre utaló jel ellenére a nanobaktériumok nem élőlények, hanem kristályos szerkezetű (apatit) részecskék. Ezek egyszerű kalciumvegyületekből, például kalcium-karbonátból és kalcium-foszfátból jönnek létre, amelyek szabályos kristályosodását megzavarják a különféle szerves molekulák, elsősorban fehérjék, de lehetnek lipidek, szénhidrátok, sőt nukleinsavak (például DNS) is. E szerves vegyületek hatására a szabályos kristályrács gömb- esetleg pálcikaszerű formát vesz föl. Kísérleteik szerint ezek az alakzatok növekednek, sőt "osztódnak" is. A kutatók azzal is bizonyították a részecskék élettelen voltát, hogy sikerült egyszerű vegyületekből laboratóriumi körülmények között tökéletes "nanobaktériumokat" előállítaniuk (lásd második keretes írásunkat).

Hogyan készítsünk nanobaktériumokat?

Tegyünk laboratóriumi tálkába (Petri-csészébe) sejttenyésztéshez használt, tápanyagban gazdag táptalajt, amilyen például a magzati marhaszérum. Ebben megtalálhatók a szükséges fehérjék és más szerves anyagok. Ezután adjunk hozzá ásványi alkotórészeket, úgymint kalciumot és foszfátot, hogy meggyorsítsuk a részecskeképződést (bár a táptalajban lévő ásványi anyagok önmagukban is elindíthatják a folyamatot).

A kalcium- és a foszfátionok természetes módon összekapcsolódnak, hogy nagyobb részecskéket (hidroxi-apatitot) alkossanak. Egyes fehérjék azonban szintén szívesen hozzákötődnek a kalciumhoz, és így megzavarják a szabályos kristályosodási folyamatot. A szabályos hidroxi-apatit-lapok helyett amorf ásvány-fehérje részecskék (gömbök) jönnek létre.

Növekedés közben a gömbök rétegről rétegre magukba építhetik a táptalajban jelenlévő más szervetlen és szerves molekulákat. A szerves anyag szolgáltatja a szerkezeti támaszt a növekedéshez. Végül elfogy a táptalajban lévő szerves anyag, és a nanorészecskék göröngyös, többé-kevésbé összefüggő ásványi lemezekké állnak össze.

Még ha élettelenek is a nanobák, jelentős szerepet tölthetnek be az ember szervezetében, az ásványi anyagok egyensúlyának szabályozásában. Young és Martel úgy véli, hogy ezek a részecskék természetes folyamatok által képződnek az emberi szervezetben, és normális esetben védik a testet a nemkívánatos kristályosodási folyamatoktól. Ugyanakkor nem zárható ki, hogy bizonyos esetekben fontos szerepet játszanak a kóros meszesedési folyamatokban is. Lieske és munkatársai jelenleg ezeket a folyamatokat vizsgálják; véleményük szerint jelentős orvosi áttörés lenne, ha sikerülne a nanorészecskék szerepét tisztázni például a szív- és érrendszeri betegségek kialakulásában.