Dirençli Bakterilerin Zayıf Noktaları Nasıl Keşfedildi?

Günümüzde antimikrobiyal direnç, küresel ölçekte yüzleştiğimiz en büyük halk sağlığı tehditlerinden biri hâline geldi. Çoğu zaman sessiz bir pandemi olarak nitelendirilen dirençli bakteriler, her yıl dünya genelinde milyonlarca insanın yaşamını yitirmesine neden oluyor. Eğer bu gidişatın önüne geçilmezse Dünya Sağlık Örgütünün tahminlerine göre antimikrobiyal dirençli bakterilerden kaynaklanan yıllık ölüm sayısının 2050 yılına kadar 10 milyona ulaşması bekleniyor.

Nanyang Teknoloji Üniversitesinde (NTU) çalışan bilim insanları, bu tehlikeli bakterilerden bir adım önde kalabilmemizi sağlayacak çığır açıcı stratejilere öncülük ediyor. Farklı uzmanlık alanlarına sahip araştırma ekipleri, ölümcül bakterilerin zayıf noktalarını hedef alarak geleneksel antibiyotiklerin yetersiz kaldığı alanlarda umut vadeden çözümler geliştiriyor.

Bu kapsamda yürütülen çalışmalarda bir NTU araştırma ekibi, dirençli bir bakterinin hücresel enerji üretimi için kritik öneme sahip bir enzimini baskılayan özel bir bileşik geliştirdi. Singapur Bilim, Teknoloji ve Araştırma Ajansı (A*STAR) ile iş birliği yapan Lee Kong Chian Tıp Fakültesindeki araştırmacılar ise aynı bakterinin virüs enfeksiyonlarına karşı nasıl direnç geliştirdiğini aydınlattı. Bir diğer çalışmada NTU ve Imperial College London araştırmacıları, dirençli başka bir bakterinin rakip mikroorganizmalara ve konak hücrelere toksin aktarmak için kullandığı mikroskobik silahın moleküler yapısını ortaya koydu. Yapılan araştırmalar hem dirençli bakterileri doğrudan hedef alan yeni tedavilere hem de bu patojenleri silahsızlandırarak etkisiz kılmaya yönelik yenilikçi yaklaşımlara kapı aralıyor.

Hücresel Enerji Üretiminin Engellenmesi

Antimikrobiyallere karşı direnç geliştirmiş fırsatçı patojenler, özellikle bağışıklık sistemi zayıflamış hastaları hedef aldıkları için tıp dünyasında büyük bir endişe kaynağı oluşturuyor. Örneğin Mycobacterium abscessus kistik fibrozis hastalarında ağır akciğer enfeksiyonlarına yol açıyor ve klinik ortamda yaygın olarak başvurulan birçok antibiyotiğe karşı doğal bir dirence sahip bulunuyor.

NTU Biyolojik Bilimler Fakültesinden Profesör Gerhard Grüber liderliğindeki bir araştırma ekibi, M. abscessus enfeksiyonlarını tedavi etmek amacıyla bakterinin yaşamını sürdürmek için gereksinim duyduğu enerjiyi üretmesini engelleyen yeni bir bileşik geliştirdi. Geliştirilen bu bileşik, bakterinin adenozin trifosfat (ATP) sentezlemek için kullandığı elektron taşıma zincirindeki kritik bir enzimi inhibe ediyor. Bilindiği üzere ATP, hücrelerin metabolik süreçlerini yürütmek için kullandığı temel hücresel enerji birimidir.

Bulguları Nature Communications dergisinde yayımlanan çalışmada araştırmacılar, kriyoelektron mikroskobu kullanarak enzimin çalışmasından sorumlu olan ve substratın bağlandığı bir cep tespit etti. Söz konusu cep, M. abscessus bakterisinin elektron taşıma zincirinde hayati bir işlev üstlenen sitokrom bcc oksidaz enziminin sitokrom b alt biriminde yer alıyor. Araştırma ekibi, bu cebe tam oturarak enzimin çalışmasını engelleyen özel bir kimyasal bileşik tasarladı.

Sitokrom bcc oksidaz enziminin moleküler yapısı M. abscessus bakterisine özgü olduğu için tasarlanan bileşik yalnızca bakteriyi hedef alıyor ve insan hücrelerine herhangi bir toksik etki göstermiyor. Mikobakteriyel enfeksiyonların tedavisinde başvurulan klofazimin adlı antibiyotikle birlikte kullanıldığında bu yeni bileşik M. abscessus bakterilerini öldürmede son derece yüksek bir başarı gösterdi; dört gün içinde bakteri popülasyonunda iki logaritmik birimlik (yaklaşık yüz kat) azalma sağlandı. Araştırmanın kıdemli yazarı Profesör Gerhard Grüber elde edilen sonuçları şöyle açıklıyor:

Yaşamın enerji para birimi olan ATP, antibiyotiklere karşı savunma mekanizmaları da dâhil olmak üzere M. abscessus hücresindeki temel süreçlerin yürütülmesi için gereken enerjiyi sağlar. Dolayısıyla ATP üreten elektron taşıma zincirini susturmak, tedavisi zor M. abscessus enfeksiyonları için bakteriyi etkisiz hâle getiren güçlü bir tedavi potansiyeli sunmaktadır.

Geliştirilen bu bileşik için patent başvurusunda bulunan araştırmacılar, molekülün lisanslanması amacıyla Amerika Birleşik Devletleri merkezli biyofarmasötik şirketi Hsiri Therapeutics ile çalışmalarını sürdürüyor.

Mikobakterilerin Virüslerle Kuşatılması

Bilim insanları yeni antimikrobiyal bileşikler geliştirmenin yanı sıra M. abscessus enfeksiyonlarının tedavisinde bakteriyofaj olarak adlandırılan virüslerden yararlanma yollarını da araştırıyor. Bakterileri enfekte eden bu virüsler, konak hücrenin kopyalama mekanizmasını ele geçirerek kendilerini çoğaltıyor; süreç sonunda bakteriyi parçalayarak yeni oluşan virüs parçacıklarını serbest bırakıyor.

Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) dergisinde yayımlanan bir diğer çalışmada NTU ve Singapur Bilim, Teknoloji ve Araştırma Ajansı bünyesindeki araştırmacılar, M. abscessus bakterisinin faj saldırılarına karşı nasıl direnç geliştirebildiğini ortaya çıkardı. Elde edilen bulgular, direnç gelişimini en aza indirirken faj terapisinin söz konusu enfeksiyonları tedavi etmede nasıl optimize edilebileceğine ışık tutuyor.

Doğada M. abscessus iki farklı morfolojik varyant hâlinde karşımıza çıkıyor: pürüzsüz ve pürüzlü. Pürüzsüz varyant dış yüzeyinde glikopeptidolipid adı verilen lipit moleküllerini üreterek yuvarlak koloniler kurarken pürüzlü varyant bu lipitlerden yoksun kalıyor ve karnabaharı andıran düzensiz koloniler meydana getiriyor. Pürüzsüz varyanta kıyasla pürüzlü formdaki M. abscessus çok daha ağır klinik tablolara yol açıyor ve tedavisi hekimler için çok daha zorlayıcı oluyor.

Araştırma ekibi bu direnç mekanizmasını, pürüzsüz M. abscessus suşlarını hedef alan bakteriyofajlarla muamele ederek aydınlattı. Uygulanan tedavinin ardından bakterilerin pürüzlü varyantlarının ortaya çıktığı gözlemlendi. Yapılan genetik analizlerde pürüzlü suşların glikopeptidolipidlerin sentezlenmesi ve bakteri yüzeyine taşınmasında görev alan temel enzimlerin genlerinde mutasyon taşıdığı tespit edildi. Bilim insanları yüzeydeki glikopeptidolipid kaybının fajların bakteriye bağlanmasını ve hücreye saldırmasını engellediğini değerlendiriyor. Bazı durumlarda ise bakteriler pürüzsüz formlarını koruyarak yüzeyle ilişkili farklı genlerde mutasyonlar geliştirdi ve bu yolla fajlara karşı direnç kazandı. Çalışmanın kıdemli yazarlarından Lee Kong Chian Tıp Fakültesi öğretim üyesi Profesör Pablo Bifani durumu şöyle özetliyor:

Bu bulgular, faj temelli terapilerin geliştirilmesindeki kritik bir zorluğu gözler önüne seriyor. Fajlar bakterileri etkili biçimde ortadan kaldırabilse de pürüzlü formda gördüğümüz üzere enfeksiyonların tedavi edilmesini istemsizce daha güç hâle getirebiliyor. Yürüttüğümüz araştırmaya dayanarak M. abscessus enfeksiyonlarının tedavisinde hem pürüzsüz hem de pürüzlü varyantları birlikte hedef alan bir bakteriyofaj kokteyli kullanmanın, bakterinin virüslere karşı direnç geliştirme olasılığını azaltabileceğini düşünüyoruz.

Tehlikeli Bakterilerin Silahsızlandırılması

Antibiyotiklere karşı yüksek direnç gösteren bir diğer fırsatçı patojen olan Pseudomonas aeruginosa bağışıklık sistemi baskılanmış, hastanede yatan ve durumu kritik hastalarda kronik enfeksiyonlara yol açıyor. Bu bakterinin cephanesindeki en tehlikeli silahlardan biri Tip VI salgı sistemi adı verilen moleküler bir düzenektir. Patojen bir zıpkın gibi çalışan bu sistemi kullanarak rakip bakterilere ve konak hücrelere doğrudan toksin enjekte ediyor. Bu sayede hem rakip mikroorganizmaları ve bağışıklık hücrelerini ortadan kaldırıyor hem de konak dokuda çok daha etkin biçimde kolonileşebiliyor.

NTU ve Imperial College London araştırmacıları Nature Microbiology dergisinde yayımlanan çalışmalarında bu mikroskobik silahın yapısını ve toksinleri nasıl yüklediğini aydınlattı. Biyokimyasal analizler ve kriyoelektron mikroskobu kullanan ekip Tip VI salgı sisteminin adım adım bir araya getirildiğini belirledi. Mekanizmada toksinler ilk olarak Hcp adı verilen bir protein tarafından yakalanıyor; ardından beş ilave Hcp proteini toksinin etrafını sararak bir halka oluşturuyor. Merkezinde toksin bulunan bu yüklü halkaların her biri adeta uçan bir daireyi andırıyor. Bazı durumlarda daha büyük bir toksini bütünüyle çevrelemek için iki halkanın birleşmesi gerekiyor.

Yüklenen bu halkalar daha sonra üst üste dizilerek uzun bir tüp meydana getiriyor. Sistem kasıldığında bu tüpü bir zıpkın gibi dışarı fırlatarak taşıdığı toksin yükünü doğrudan hedef hücrenin içine boşaltıyor. Tüp yapısı farklı toksinleri aynı anda barındırabildiği için tek bir fırlatma hamlesinde birden fazla bileşikten oluşan bir zehir kokteyli hedefe ulaştırılabiliyor. Araştırmanın eş kıdemli yazarı Profesör Alain Filloux bakterinin bu stratejisini şöyle aktarıyor:

Bu bakteri yalnızca tek bir toksin fırlatmakla kalmıyor. Toksinlerden oluşan bir kokteyli mikroskobik bir zıpkına yükleyip tek seferde ateşleyerek konakçının kendi savunma hücrelerinin yanı sıra vücutta doğal olarak bulunan faydalı bakteriler de dâhil olmak üzere farklı hedeflere aynı anda saldırabiliyor. Bu durum bakterinin konak dokuda çok daha etkili bir şekilde kolonileşmesine yardımcı oluyor. Gelecekte bu yükleme basamağını engelleyebilirsek bakteriyi silahsızlandırarak hastalık yapma yeteneğini zayıflatacak yeni yaklaşımların önünü açabiliriz.

Ayrıca araştırmacılar zararsız bakterilerin Tip VI salgı sistemiyle donatılarak bağırsaklardaki dirençli patojenler gibi istilacı mikroorganizmalarla savaşacak şekilde genetik olarak tasarlanabileceğini belirtiyor. Çalışmanın eş liderlerinden Imperial College London öğretim üyesi Doçent Tiago Dias da Costa çalışmanın sunduğu olanakları şöyle vurguluyor:

Bu çalışmanın en heyecan verici yanı, bir bakteri toksininin Tip VI salgı sisteminin yapı taşları içine fiziksel olarak nasıl hapsedildiğini neredeyse atomik düzeyde görebilmemizdir. Kriyoelektron mikroskobundan elde edilen yüksek çözünürlüklü üç boyutlu görüntüler, toksin yükleme sürecinin pasif bir olay olmadığını; salgı tüpünün taşıyacağı yükün etrafında şekillendiği son derece organize bir montaj yolu izlediğini ortaya koyuyor. Bu mekanizma, P. aeruginosa bakterisinin toksik efektör kokteylini rakip mikroplara veya konak hücrelere fırlatmadan önce moleküler düzeyde nasıl hazırladığını açıklıyor. Bu düzeneği anlamak, yalnızca bakteri hücresi biyolojisinin temel bir ilkesini aydınlatmakla kalmıyor; aynı zamanda bu sistemlerin nasıl bozulabileceğini veya başka amaçlarla nasıl yeniden uyarlanabileceğini de gösteriyor.