رسوخ در دنیای شگفت‌انگیز باکتری‌ها

احتمالا آخرین باری را که به دندانپزشک مراجعه کرده بودید به یاد دارید. زبانتان را روی دندان‌های جلویی کشیده و احساس می‌کردید که چقدر صاف و تمیز هستند. 4 ساعت بعد و گرچه احتمالا هنوز نمی‌توانید تفاوت ایجاد شده را بیان کنید، پرزهایی را احساس می‌کنید که گویی در حال رشد هستند، اما اینها پرز نیستند بلکه باکتری‌هایی هستند که به آنهاstreptococci گفته می‌شود. اینها نخستین باکتری‌هایی هستند که در لایه نازکی از بزاق رسوب شده روی دندان‌ها تجمع می‌کنند. 4 ساعت دیگر می‌گذرد و میکروب‌هایی موسوم بهfusobacteria روی این لایه تشکیل می‌شوند. این میکروب‌ها ریزذراتی هستند که زمینه لازم برای رشد تجمعات فاکتورهای خطرناکی در دهان و دندان‌ها نظیرPorphyromonas را فراهم می‌کنند. صبح روز بعد و اگر هنوز دندان‌های خود را مسواک نکرده باشید، با حرکت زبان روی دندان به خوبی احساس می‌کنید که لایه رسوبی پرزداری در حال شکل‌گیری است. اگر این امکان برایتان وجود داشته باشد تا بدون هیچ گونه دستکاری در ساختار، این لایه پرزی‌شکل را در زیر میکروسکوپ نگاه کنید، شاهد برج‌ها یا تجمعات کاملی از باکتری‌ها خواهید بود که هریک روی دیگری سوار شده‌اند. در عین حال برخی از این میکروب‌ها خطرناک نیز هستند. به عنوان مثالPorphyromonas لثه‌ای نه‌تنها در لثه رشد می‌کنند و به فرآیند شل شدن اتصال دندان‌ها به لثه‌ها و در نتیجه جدا شدن آنها از ساختار دندان‌ها کمک می‌کنند بلکه همچنین موجب می‌شوند تا مواد شیمیایی تحریک‌آمیزی نیز در محیط منتشر شوند که در ادامه وارد جریان خون شده و تبعات سنگینی را به همراه می‌آورند. این تبعات از پیچیده‌تر شدن فرآیند درمان بیماران دیابتی گرفته تا افزایش احتمالی خطر ابتلا به بیماری‌های قلبی گسترش می‌یابند. نکته نگران‌کننده و حتی هشداردهنده این است که ردپای این باکتری‌ها حتی پلاک‌های سرخرگی نیز دیده شده است.

اگر تاکنون سر و کارتان به بیمارستان و بستری شدن در این مکان افتاده باشد، به احتمال زیاد تجربه دیگری از این دست را احساس کرده‌اید که البته این مورد به رشد نوع خطرناکی از باکتری‌ها ارتباط دارد و در این خصوص به احتمال زیاد هیچ اطلاعی از وضعیت موجود نداشته‌اید. ادرار بیمارانی که در بیمارستان‌ها بستری می‌شوند همواره مورد آزمایش قرار می‌گیرد. این مایع درون لوله‌های شیشه‌ای مخصوصی ریخته شده و برای آزمایش به آزمایشگاه منتقل می‌شود، اما نکته مهم اینجاست که سطح ادرار موجود در این ظروف شیشه‌ای به سرعت به وسیله لایه‌ای از پروتئین‌های موجود در ادرار پوشیده می‌شود و در ادامه این فرآیند، این مایع به وسیله لایه‌هایی از باکتری‌های فعالی پوشیده می‌شود که ترکیب شیمیایی سطح موجود را تغییر داده و موجب شکل‌گیری کریستال‌های مخصوصی می‌شود. طی مدت یک هفته عفونتی در ظروف شیشه‌ای حاوی ادرار 10 تا 50 درصد بیماران تحت آزمایش ایجاد می‌شود و طی یک ماه این عفونت تمامی ظروف را در بر می‌گیرد.

این کلنی‌های تنفرانگیز باکتریایی که تحت عنوان فیلم‌های زیستی(biofilms) شناخته شده‌اند، بعد قابل توجه و جدیدی را به درک دانشمندان از دنیای میکروبی افزوده‌اند. از زمانی که لویی پاستور برای نخستین بار در جهان باکتری‌ها را در ظروف آزمایشگاهی پرورش داد، زیست‌شناسان آنها را به عنوان مهاجمان انفرادی ترسیم کرده‌اند که گویی در دریایی مملو از مایعات شناور بوده یا در حال شنا هستند و خود را از طریق خون و لنف‌ها به سراسر بدن می‌رسانند و این دقیقا مشابه وضعیتی است که در آن ماهی‌های کوچک و شکارچی پیرانا در رودخانه آمازون در دسته‌های بزرگ به شکار می‌پردازند، اما در سال‌های اخیر دانشمندان به درک دیگری در این زمینه رسیده‌اند که بر مبنای آن تقریبا تمامی باکتری‌ها دارای زندگی جمعی هستند و در حقیقت این اعتقاد علمی شکل گرفته است که 99 درصد باکتری‌ها در قالب همان فیلم‌های زیستی زندگی می‌کنند. البته رفتار آنها همواره با تغییرات زیادی همراه است. گاهی اوقات این کلنی‌ها ثابت و پایدار هستند همچون موجودات سخت‌پوست دریایی که خود را به بدنه کشتی‌ها می‌چسبانند، اما لحظاتی دیگر به حرکت درآمده و همچون لجن‌های لیز دریایی از سویی به سوی دیگر مهاجرت می‌کنند. دانشمندان به این عقیده رسیده‌اند که ممکن است این باکتری‌ها به فیلم‌های زیستی تک‌گونه‌ای تفکیک شوند یا این احتمال نیز وجود دارد که همچون باکتری‌های دندانی، در قالب گروه‌هایی به یکدیگر ملحق شده و رفتاری نظیر ریزاجتماعات اکولوژیکی داشته باشند که طی آن همواره با یکدیگر در رقابت و همکاری هستند.

فاکتور متحدکننده در تمامی این فیلم‌های زیستی در حقیقت آنچه که آنها را آنچنان عجیب، قدرتمند و خطرناک می‌سازد این است که همکاری آنها با یکدیگر به نوعی کلامی است، اما این ارتباط کلامی چگونه صورت می‌گیرد. آنها با استفاده از جریان‌های شیمیایی که در خارج از دیواره سلولی و پوسته‌شان پمپاژ می‌کنند «گفتگوی» دائمی با یکدیگر دارند. نکته جالب‌تر این است که این ارتباط کلامی نه‌تنها میان کلنی‌هایی از گونه‌های خودی صورت می‌گیرد، بلکه میان سایر تجمعات باکتریایی اطراف نیز در جریان است. دانشمندان با توجه به این یافته ارزشمند بر این باورند که دستیابی به درک روشنی از این ارتباط کلامی برای انجام تحقیقات مطالعاتی بیشتر درخصوص انواع بیماری‌های عفونی و مسری و در کل غلبه نهایی بر آنها امری حیاتی است.

فیلم‌های زیستی نخستین بار در سال 1978 و در آب‌های تمیز و شفاف در جریان کوهستان یخی منطقه بریتیش کلمبیا کشف شدند. میکروب‌شناسی به نام ویلیام کاسترتون که در حال حاضر در بیمارستان عمومی آلگنی پیتسبورگ مشغول به فعالیت است به همراه تیمی از دانشمندان این بیمارستان پس از انجام یک سری مطالعات دامنه‌دار بر آن شدند تا به این پرسش بحث‌برانگیز پاسخ دهند که چرا باکتری‌های بسیار کمی در این آب وجود دارد و این درحالی است که میلیاردها میلیارد میکروب در شکاف‌های صخره‌ای واقع در بستر این آب‌ها لانه گزیده‌اند. وی در این خصوص می‌گوید: ما در هر میلیمتر مربع از این آب، 9 باکتری پیدا کردیم اما زمانی که تکه‌ای از صخره‌های بستر این آب‌ها را به محیط‌های آزمایشگاهی منتقل کردیم متوجه شدیم که بالغ بر 100 میلیون باکتری در هر سانتیمتر مربع آن لانه گزیده‌اند. بررسی‌های دنباله‌دار این دانشمندان نشان داد که این باکتری‌ها ساکت و بی‌حرکت در این صخره‌ها زندگی نمی‌کنند بلکه ساختارهای پیچیده و شهرهای بزرگی مملو از میکروب‌ها و اجرام مشابهی را تولید می‌کنند که در پوشش لغزنده‌ای که به وسیله باکتری‌ها تولید شده و به آن شبکهexopolysaccharide می‌گویند قرار دارند. این پوشش لغزنده باکتری‌ها و میکروب‌ها را از آمیب‌های همیشه گرسنه محافظت کرده و غذای مناسبی برای آنها تهیه می‌کند که از باکتری‌های موجود در فیلم‌های زیستی ترشح می‌شود. همچنین این غذا می‌تواند ریزقطعاتی ازDNA ‌هایی باشد که در زمان مرگ سایر میکروب‌ها در محیط منتشر می‌شود. هنگامی که کاسترتون نتایج تحقیقات خود را منتشر کرد عبارت «فیلم زیستی» را معرفی کرده و از دستیابی به درک کاملا جدیدی از چگونگی رفتار باکتری‌ها خبر داد. وی سپس گفت: ما به حقیقت عجیبی دست یافتیم. باکتری‌ها به جایی که قرار دارند هیچ توجهی ندارند. آنها برای انجام وظایف خود برنامه‌یزی شده‌اند و به عبارت دیگر آنها همیشه در حال تشکیل فیلم‌های زیستی هستند و این مهم نیست که بر روی سطوح صخره‌ای زندگی می‌کنند یا در بدن انسان حضور دارند.

2 - سال بعد «تام ماری» پزشک جوانی که در نوااسکاتیا مشغول به فعالیت است مرد بی‌خانمانی را مورد معاینه قرار داد که به تب شدیدی مبتلا شده و در کنار خیابان روی زمین افتاده بود. این مرد به عفونت شدیدی مبتلا بود و روی سینه‌اش نیز توده برجسته‌ای در حد و اندازه پاکت سیگار دیده می‌شد. ماری این‌گونه نتیجه گرفت که این توده نوعی تحریک عفونی است. طی 3 هفته بعد این مرد از دوزهای بالایی از آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده می‌کرد اما هیچ بهبودی در وضعیت وی دیده نمی‌شد، از این رو ماری و تیم همراهش تصمیم گرفتند که وی را تحت عمل جراحی قرار دهند. آنها از کاسترتون نیز دعوت کردند تا در این عمل جراحی شرکت کند. کاسترتون در این خصوص می‌گوید:‌ آن روز‌، روز تاریخی برای همه ما بود چون موفق شدیم تا برای نخستین بار لایه ضخیمی از باکتری لغزنده را در بدن یک انسان مشاهده کنیم.

فیلم‌های زیستی در بسیاری از نقاط قابلیت رشد دارند اما زمانی که روی ایمپلنت‌ها دیده می‌شوند باید به آنها به عنوان مشکل جدی و خطرناک برای سلامتی افراد نگاه کرد. در حال حاضر عفونت‌های باکتریایی بین 2 تا 4 درصد از تمامی ایمپلنت‌ها را آلوده کرده‌اند. بررسی‌ها نشان می‌دهند که از 2میلیون ایمپلنت ران و زانو که همه ساله و در سراسر جهان انجام می‌شود‌ بالغ بر 40 هزار مورد آلوده هستند. بیش از یک‌سوم از این عفونت‌ها در نهایت به قطع عضو منجر می‌شود و گذشته از آن بسیای از سایر پیوندها نیز با نتایج چندان درخشانی همراه نیستند. نتیجه کار نیز بسیار تلخ است: بسیاری از افرادی که این اندام‌های مصنوعی را دریافت می‌کنند می‌میرند. کاسترتون در این خصوص می‌گوید:‌ اعمال جراحی مربوط به ایمپلنت‌ها در 98 درصد موارد موفقیت‌آمیز هستند بنابراین لازم نیست بیماران نیازمند درخصوص این نوع اعمال و نتایج نگرانی چندانی داشته باشند.

عفونت‌هایBiofilm صرفا به ایمپلنت‌ها محدود نمی‌شوند. آنها را می‌توان در بدن افراد جوان و تندرست نیز پیدا کرد. بسیاری از کودکان همه ساله دچار ناراحتی‌های دردآوری در گوش‌هایشان می‌شوند که در عفونت‌های درمان نشده‌ای از این دست ریشه دارند. برای درمان این عفونت‌ها باید تا چندین ماه از آنتی‌بیوتیک‌ها استفاده کرد و این درحالی است که ریشه اصلی عفونت همچون آتش زیر خاکستر برجای می‌ماند. میلیون‌ها فرد دیگر در حالی به حیات خود ادامه می‌دهند کهBiofilm ‌های مزمنی در بدن خود دارند. به عنوان مثال در بدن بسیار از زنان عفونت‌های ادراری تا سال‌های طولانی باقی می‌ماند، التهاب پروستات نیز در مردان به نگرانی بزرگی تبدیل شده است که البته هیچ درمان دائمی آنتی‌بیوتیکی برای آن وجود ندارد، عفونت‌های استخوانی که حتی موجب می‌شود تا بسیاری از مبتلایان تا پایان عمر دچار شل شدن عضلات و ساختار استخوانی شوند. سالانه بالغ بر نیم میلیون تن در آمریکا به دلیل عفونت‌های مرتبط با فیلم‌های زیستی جان خود را از دست می‌دهند و این درحالی است که این رقم تقریبا با شمار افرادی که در این کشور به دلیل ابتلا به سرطان جان خود را از دست می‌دهند برابر است.

همان‌طور که آزمایشات دکتر ماری نشان می‌دهد‌،‌ فیلم‌های زیستی آنتی‌بیوتیک‌ها را دفع می‌کنند، البته دانشمندان هنوز به درستی علت این پدیده را نمی‌دانند. برخی از آنها به این نتیجه رسیده‌اند که بسیاری از داروهای موجود نمی‌توانند کاملا در شبکه محافظتی فیلم‌های زیستی نفوذ کنند. در عین حال در مواردی که اکثر این باکتری‌ها از بین می‌روند، باکتری‌های باقیمانده همچنان زنده می‌مانند تا بار دیگر گروه‌های بزرگی را تشکیل دهند و در نهایت فیلم زیستی دیگری تشکیل دهند. شبکه محافظتی یاد شده این قابلیت را دارد که باکتری‌ها و میکروب‌های نهفته در خود را به خوبی تحت پوشش قرار داده و دریافت‌کننده شیمیایی آنها را نیز مخفی نگاه دارد تا به این ترتیب داروها نتوانند خود را به آنها گیر انداخته و موجبات مرگشان را فراهم کنند.

مطالعه این رفتار تازه کشف‌شده ریشه در زیست‌شناسی بنیادین و کهن باکتری‌ها دارد. «بانی باسلر» از دانشمندان علوم ژنتیک در دانشگاه پرینستون بر این باور است که باکتری‌هایی که در قالب این گروه‌ها زندگی می‌کنند ممکن است پنجره تازه‌ای به سوی درک درستی از حیات چندسلولی باز کند. به عقیده وی، باکتری‌ها زمانی از رشد بهتری برخوردار خواهند بود که هریک وظیفه خود را در همکاری با دیگران انجام دهند. از این رو باید گفت که باکتری‌شناسان برای 300 سال تصور و درک درستی از باکتری‌ها و شیوه زندگی آنها داشته‌اند: آنها به تنهایی زندگی نمی‌کنند.

درحالی که باکتری‌ها به عنوان میکروارگانیسم‌های اجتماعی با یکدیگر صحبت می‌کنند پس می‌توان به صحبت کردنشان گوش داد. باسلر و سایر دانشمندان علاقه‌مند به این عرصه هم‌اکنون تلاش گسترده‌ای را برای رمزگشایی از زبان شیمیایی باکتری‌ها و به نوعی استراق سمع گفتگوی آنها آغاز کرده‌اند. هدف نهایی از این تلاش ایجاد موانع در برابر این پل ارتباطی است تا به این ترتیب مکانیسم عملیاتی باکتری‌ها از کار افتاده و از ابتلای افراد به بسیاری از بیماری‌ها جلوگیری شود.

فاطمه پورمزرعه
منبع: scientific american