Pentru un om, expunerea la doar 5 gray (Gy) de radiații ionizante timp de doar câteva minute poate fi letală. Însă bacteria Deinococcus radiodurans este făcută dintr-un material mai rezistent. În condiții de cultură lichidă, poate supraviețui unei expuneri de scurtă durată de până la 25.000 Gy, iar la expunere prelungită la radiații gamma (60 Gy pe oră), nu numai că supraviețuiește, dar prosperă, continuând să crească și să se înmulțească.
Povestea bacteriei D. radiodurans a început într-un cadru surprinzător de banal: nu a fost descoperită la un poligon de testare nucleară sau într-o mină de uraniu, ci la o stație de cercetare agricolă din Oregon, Statele Unite. În anii 1950, cercetătorii de la stație experimentau utilizarea radiațiilor ionizante pentru sterilizarea alimentelor conservate. Spre disperarea lor, o parte din carnea lor de vită conservată puternic iradiată încă mai conținea microbi vii – au cultivat microbii și au descoperit D. radiodurans.
În deceniile următoare, oamenii de știință au încercat să identifice mecanismele care stau la baza rezistenței la radiații a microbului. Au descoperit că microbul putea repara mult mai multe rupturi din catena ADN-ul său decât alte organisme. Cu toate acestea, când genomul său a fost secvențiat la începutul anilor 2000, genele care codificau enzimele de reparare a ADN-ului erau surprinzător de similare cu cele ale altor specii bacteriene, indicând faptul că enzimele de reparare specializate probabil că nu erau responsabile pentru rezistența remarcabilă a microbului.
Cercetătorii care studiază această bacterie au căutat răspunsuri dincolo de genom, iar una dintre descoperiri a fost dependența ridicată față de mangan a acestor microorganisme. Manganul poate funcționa ca un antioxidant puternic, care ar putea ajuta la protejarea moleculelor intracelulare de speciile reactive de oxigen (SRO) generate atunci când radiațiile ionizante, cum ar fi razele gamma, interacționează cu moleculele de apă din celulă.
Însă lucrurile nu s-au oprit aici. Cercetătorii au mai observat în interiorul bacteriei un mecanism antioxidant cu trei componente, care fac mult mai multe lucruri împreună decât atunci când sunt luate separat. Aceste trei componente (mangan, ortofosfat și peptide mici de maxim 10-20 de aminoacizi) au păstrat funcția proteinelor și au crescut rata de supraviețuire a celulelor umane în fața radiațiilor în doze mari.
Studierea proprietăților acestui sistem de protecție alcătuit din trei componente a arătat că aceste componente se leagă pentru a forma un complex ternar stabil. În timp ce combinațiile de mangan și ortofosfat sau mangan și peptide mici ofereau o oarecare protecție împotriva radiațiilor, complexul ternar a păstrat funcția unei enzime de reparare a ADN-ului chiar și atunci când a fost supus la radiații de 60.000 Gy.
Această capacitate de protecție se datorează, cel mai probabil, proprietăților redox ale complexului – abilitatea sa de a accepta sau dona electroni. Complexul catalizează conversia superoxidului încărcat negativ, extrem de dăunător, în peroxid de hidrogen neutru, care poate traversa membrana și ieși din celulă.
Radiațiile ionizante produc diferite tipuri de SRO; superoxidul este deosebit de dăunător proteinelor, în timp ce alte specii reactive de oxigen sunt mai dăunătoare ADN-ului. Astfel spus, complexul ternar nu protejează ADN-ul de rupturi, ci protejează enzimele care repară rupturile.
Pe termen scurt, acest complex este folosit pentru a crea noi tipuri de vaccinuri cu celule întregi. Suprafața unei particule bacteriene sau virale conține antigene diferite, care pot stimula un răspuns imun mai robust decât un vaccin cu un singur antigen. Deși radiațiile gamma sunt o modalitate eficientă de a inactiva microbul, acestea pot deteriora și proteinele de suprafață esențiale pentru provocarea răspunsului imun. Folosind complexul mangan-antioxidant care protejează aceste proteine de radiațiile în doze mari, cercetătorii pot crea vaccinuri cu celule întregi imunogene, dar inofensive, împotriva agenților patogeni dificili sau emergenți.
Pe termen lung, cercetătorii speră că acest complex mangan-antioxidant poate ajuta la tratamentul cancerului, contribuind la protejarea țesuturilor sănătoase de radioterapie. Într-o zi, ar putea oferi chiar protecție astronauților care se aventurează în spațiul cosmic.
Sursa: The Scientist