A Yellowstone tavaiból származik a koronavírus-tesztek egyik alapeleme

A nemzeti park hőforrásokkal és gejzírekkel teli területén honosak azok a különös létformák, amelyek felfedezésük után két évtizeddel átalakították az orvostudományt.

Az 1960-as években Thomas Brock mikrobiológus a Yellowstone forró vizű tavainak vidékét járta be, és a park különleges környezeti viszonyaihoz alkalmazkodott baktériumait vizsgálta, amikor rábukkant az orvostudományt átalakító baktériumokra. A Mushroom Spring (Gomba-forrás) mentén egy diákjával talált rá arra, az aranysárga szálakból álló baktériumszőnyegre, amelynek egyik mikrobája különösen jó hőtűrő képességű enzimet termelt – számolt be a nationalgeographic.com.

Ma ezt az enzimet a PCR (polimeráz-láncreakció) technikájához használják világszerte a laboratóriumokban, s ez a módszer segíti a különböző biológiai mintákban a koronavírus jelenlétének kimutatását is. Az enzim ahhoz szükséges, hogy a segítségével megsokszorozzák a vírus örökítőanyagát annyira, hogy azt azután már mérni lehessen. A hőtűrő baktériumok jó fél évszázaddal ezelőtti felfedezése nélkül ma nem volna lehetőségünk alkalmazni ezt a technológiát a COVID-19 fertőzések esetén sem.
Extrém létformák a Yellowstone-ban
1964 nyarán Brock épp átautózott az országon, amikor Yellowstone közelében eszébe jutott, hogy sose látta még a nemzeti parkot, és megállt körülnézni. „Soha életemben nem láttam még hőforrásokat” – mesélte egy visszaemlékezésében. A park egy vadőrét faggatta a gőzölgő vízben élő színes mikrobaszőnyegekről, és akkor vált számára igazán izgalmassá a helyzet, amikor kiderült, hogy jóformán még sose vizsgálták ezeket a lényeket.
Brock tisztában volt vele, hogy a Yellowstone meleg vizű tavaiban mindenféle életformának jól kell tűrnie az extrém hőmérsékleteket. Némelyik tavacska vize szó szerint forr, azonban, amint azt hamarosan felfedezte, még ezekben is van élet.
Az év egy későbbi szakaszában Brock visszatért a Yellowstone-ba alaposabb vizsgálatokat végezni, s ekkor bukkant rá a 88 Celsius-fokos Octopus Spring (Polip-forrás) peremén lévő zselészerű anyagra. Akkor a szakemberek úgy gondolták ez a forróság az élet felső tűréshatárán. Brock begyűjtötte a kívánt mintát, és csak két szót jegyzett le a terepi munkanaplójába: „kétségkívül élőlények”.
Mivel további felfedezéseket sejtett még a parkban, 1966-ban, egy hallgatója, Hudson Freeze kíséretében visszatért a Mushroom Spring mikrobaszőnyegeinek vizsgálatára. Freeze kitenyésztette a mikrobák egy részét, hogy ki tudják deríteni, milyen életformákkal is állnak szemben.
„Szinte mindegyik mintában baktérium volt” – mondta Brock. Itt sikerült felfedezni a Thermus aquaticus nevű baktériumot is, amely azután a molekuláris biológia és az orvostudomány forradalmi változását elősegítette.
Mikrobákat használunk DNS-másolásra és a vírus kimutatására
A kutatók a DNS kettős spiráljának 1953-as felfedezése óta küzdenek e molekula különböző típusainak vizsgálatával, amelyhez nagy léptékű mintára volt szükség belőlük.
Az 1980-as években Kary Mullis, amerikai biokémikus sikeresen leutánozta azt a módszert, ahogyan a sejtek a DNS-ről természetes úton másolatot készítenek. Egy primerekből (kis DNS-darabokból) álló készlettel kijelölik azt a DNS-szakaszt, amelyet sokszorosítani szeretnének, majd egy DNS-polimeráz nevű enzim összeállítja az alapelemeiből a kívánt DNS-szakasz másolatát. „Ez majdnem olyan, mint egy másológép” – magyarázta Austin Shull, a Dél-Karolinai Presbiteriánus Főiskola molekuláris biológusa.
A folyamat során a DNS-t felmelegítik, majd lehűtik, többször egymás után, s ezen melegítés-hűtés ciklusokban kb. megduplázódik a mennyiség a lezajló másolások révén. Azonban a módszer első próbálkozásai során a használt enzim mindig megsérült a melegítés hatására. Virginia Edgcomb mikrobiális ökológus, a Woods Hole Oceanográfiai Intézet kutatója azt mondta: „Nagyjából az történik, mint a tojássütéskor: a fehérjéket a hő kicsapódásra készteti.” A módszer persze még használható, ám rendkívül munka- és időigényes volt.
Mullis rájött, hogy a Yellowstone hőtűrő baktériuma rendelkezhet olyan enzimmel, amely szintén hőtűrő és túléli a melegítés-hűtési ciklusokat, és így, a segítségével sokszorosára gyorsítható a folyamat. Az évek során a kutatók oly módon fejlesztették tovább ezzel a hőtűrő enzimmel a technológiát, hogy gyakorlatilag automatizálni lehetett a DNS-másolást. Ma már több százmillió DNS-másolat készíthető néhány óra alatt, ennek köszönhetően. „A PCR-vizsgálat éveken át rendkívül kemény munkával járó kihívás volt, ma viszont könnyű, rutinfeladat” – mondta Julie Huber oceanográfus, szintén a Woods Hole Intézettől.
A COVID-19 tesztelés ugyanezt a módszert használja, pár kiegészítő lépéssel. A vírus nem DNS-ből, hanem RNS-ből felépülő örökítőanyagot használ, ez utóbbi csupán egyetlen szálból áll, és kissé eltérőek az alapelemei is (a DNS-t adenin, citozin, guanin és timin építi fel, az RNS-ben a timin helyett uracil található). Az RNS-t először DNS-sé kell alakítani, emellett a vírusból származó szakaszokat egy fluoreszcens jelzőmolekulával is ellátják a folyamat során. Amikor a teszt ellenőrzése zajlik, e fluoreszcens molekula világítása jelzi, hogy jelen van a vírusból származó örökítőanyag a mintában. Minél több a vírus, annál több másolat is készül a szakaszaiból a PCR során, és annál erőteljesebben fog világítani a minta.
Felfedezések ott, ahol a legkevésbé számítunk rájuk
Amikor Brock megállt a Yellowstone-nál megnézni a hévforrásokat, meg se fordult a fejében, hogy ez a döntése fogja forradalmasítani a DNS-vizsgálatokat. „Egyszerűen csak lehetőségem volt alapkutatást végezni, olyan munkát, amelyre sokan azt mondták, felesleges, hiszen nem volt meghatározott gyakorlati célja.”- hangzott el Brock beszédében, amelyet a Madison-Wisconsin Egyetemen tiszteletbeli tudományos fokozata átvételekor tartott. „Mi haszna lehetne annak, hogy élő baktériumokat keresünk a hévforrásokban és a bugyogó forró vizű tavakban a Yellowstone Nemzeti Parkban?”
A felfedezés azonban megváltoztatta a világot. Egyrészt ma már ismerjük, hogy számos mikroba tökéletesítette a sajátságos módszerét ahhoz, hogy elviselje a különösen viszontagságos körülményeket, mint például egy vulkanikus eredetű forrás, vagy egy mélytengeri füstölő vizének extrém magas hőmérséklete. Ezekben az élőlényekben számtalan olyan biológiai mechanizmus alakult ki, amelyekről ma még sejtésünk sincs, és felfedezésre várnak.
Azzal, ha megértjük, miként működnek ezek a mikrobák, képesek leszünk magunkat megvédeni ellenük. Azonban ahhoz, hogy a gyakorlati alkalmazás egyáltalán felmerülhessen, előbb fel kell tárni, milyen lények élnek egy adott helyen, szükség van az alapkutatásra. „Amíg nincs meg maga az élőlény, addig nem állhat rendelkezésre a genetikai kódja sem, és addig nem tudjuk megismerni és alkalmazni a belőle kinyerhető tudást” – hangsúlyozta Julie Huber.