Naukowe grzybobranie

Grzyby otwierają drogę do stworzenia nowych, przyjaznych środowisku technologii poprzez ich aplikację w oczyszczalni ścieków, gdzie mogą służyć do usuwania różnych grup farmaceutyków. To właśnie one wydają się idealnym narzędziem do walki o czyste środowisko.

Nie tak dawno temu i wcale nie w odległej galaktyce, lecz w Europie w XX wieku, zaczęto stosować substancje chemiczne do leczenia nowotworów. Od tego czasu badania tendencji konsumpcyjnych w skali globalnej wskazują na ciągłe zwiększanie wykorzystania leków cytostatycznych, czyli farmaceutyków używanych w terapii przeciwrakowej. Ich działanie jest różne w zależności od konkretnego leku, ale najogólniej mówiąc, mają one na celu inhibicję lub całkowite zablokowanie powielania materiału genetycznego w komórkach nowotworowych. Ze względu na to, że coraz popularniejsza jest terapia doustna, ich niezmetabolizowane części, substancje pokrewne i aktywne metabolity po wydaleniu przez pacjentów trafiają do ścieków komunalnych. Niestety w tym momencie cytostatyki przestają być pozytywnymi bohaterami naszych czasów, lecz wpisują się na karty historii jako czarne charaktery.

Zmiana modelu terapii i wzrost intensywności leczenia przeciwnowotworowego w domu sprawiła, że większość zalecanych środków cytotoksycznych jest obecnie dostępna w aptekach. W konsekwencji następuje eliminacja etapu podczyszczania stosowanego w przypadku ścieków szpitalnych. Wraz ze ściekami komunalnymi, szpitalnymi i pochodzącymi z fabryk zajmujących się ich produkcją cytostatyki wpływają do klasycznych oczyszczalni, gdzie ze względu na niską biodegradowalność nie są skutecznie usuwane. Oznacza to, że w dalszej kolejności trafiają do wód powierzchniowych i gruntowych. Niepodważalna wygoda i komfort pacjentów sprowadziły niebezpieczeństwo na ekosystemy. Koncentracja cytostatyków w środowisku wodnym zależy od lokalizacji, matrycy i konkretnego leku, ale ich wartości mogą dochodzić nawet do ćwierć miliona nanograma w jednym litrze.

Od bohatera do szwarccharakteru

Coraz częściej pojawiają się informacje o ekotoksyczności leków przeciwnowotworowych w środowisku wodnym. Jednak wiedza na ten temat wciąż pozostaje niepełna, dlatego jako młody naukowiec postanowiłam uzupełnić tę lukę i niczym wytrawny pokerzysta powiedziałam: Sprawdzam! Przebadałam wpływ dwóch wybranych leków na trzech poziomach troficznych: przedstawicielu producentów, konsumentów i reducentów. Wyniki były mrożące krew w żyłach. Roślina (Lemna minor) przestała rosnąć, skorupiak (Daphnia magna) został unieruchomiony, bakteria (Pseudomonas putida) przestała się namnażać, a to wszystko w bardzo niskich stężeniach, które alarmują, że mamy do czynienia z niezwykle toksycznymi substancjami. Leki te stały się więc zagrożeniem dla środowiska wodnego i żyjących w nim organizmów.

Farmaceutyki często projektowane są w taki sposób, by miały działanie biologiczne już przy niskich dawkach, działając na układy fizjologiczne. Cytostatyki mogą powodować toksyczność zarówno ostrą, jak i chroniczną, czyli wywołaną poprzez kontakt z nimi w dłuższym okresie czasu, wpływając na stabilność materiału genetycznego roślin i zwierząt wodnych. Ponadto w środowisku wodnym możliwe jest wzajemne wzmocnienie działania kilku substancji, a więc mogą występować efekty addytywne lub synergistyczne mieszanin farmaceutycznych i innych stresorów. W takiej sytuacji nie znajdą zastosowania podstawy matematyki wyniesione z podstawówki, a jeden dodać jeden będzie większe od dwóch.

Leki cytostatyczne wykrywane są również w wodach pitnych, co sprawia, że stają się zagrożeniem dla ludzi. Niestety zachowują się one w naszym organizmie niczym wypuszczona na pole szarańcza, która usunie nie tylko chwasty, ale zrobi spustoszenie także w uprawach. Cytostatyki nie są kancerospecyficzne, a więc atakują nie tylko komórki nowotworowe, lecz również zdrowe, zwłaszcza szybko się dzielące, jak nabłonkowe czy szpiku kostnego. To również przyczyna wypadania włosów i łysienia wśród pacjentów przechodzących chemioterapię. Dodatkowo znany jest fakt, że nawet w niewielkich dawkach mogą wywoływać reakcje alergiczne oraz przejawiają właściwości rakotwórcze, powodują mutacje w materiale genetycznym, wywołują ciężkie uszkodzenia płodu, a nawet mogą doprowadzić do obumarcia zarodka.

Rys. 1 Kruchawica aksamitna – jeden z zebranych grzybów

Pomoc w zasięgu ręki

Oczywiście ludzkość może przejść nad tym do porządku dziennego, bo przecież i tak wszyscy kiedyś umrzemy. Jednak to jest ten moment, kiedy wchodzimy my, naukowcy, cali na biało, i ratujemy świat, próbując znaleźć sposób na usuwanie tych związków. Badania nad skutecznym eliminowaniem farmaceutyków ze środowiska wydają się być koniecznością. Sztandarowe organizmy oczyszczalni ścieków, bakterie, niestety w dużej mierze poległy i nie wykazały się dostateczną skutecznością. Ale nie miejmy im tego za złe, i tak robią kawał dobrej roboty. Jednak w tym momencie warto zwrócić uwagę na grzyby. Człowiek wykorzystuje je od wieków, choćby do wywołania kaca, gdyż są odpowiedzialne za fermentację alkoholową, wykorzystywaną w produkcji wina, piwa, miodów, wódek, jak i do jego leczenia, ponieważ kefir, ale także inne produkty przemysłu mleczarskiego uzyskujemy właśnie dzięki grzybom. Również typowo polskie śniadanie nie byłoby możliwe bez grzybów, gdyż przemysł piekarniczy drożdżami stoi. Ponadto każdy z nas poznał ich niepodważalne walory smakowe. Ich brak oznaczałby również, że Smerfy zostałyby bez dachu nad głową.

Jednak z punktu widzenia badacza dużo istotniejsze jest to, że produkują nisko specyficzne enzymy, które działają jak molekularne nożyczki. To dzięki nim ta jedna z najliczniejszych grup organizmów na ziemi odgrywa kluczową rolę w funkcjonowaniu ekosystemu, poprzez udział w obiegu materii. Grzyby rozkładają wiele różnych związków pochodzenia naturalnego o skomplikowanej budowie, jak lignina czy celuloza, a także ksenobiotyków, takich jak WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne), barwniki czy pestycydy. Ich degradacja jest możliwa dzięki wewnątrz- i zewnątrzkomórkowym enzymom grzybów. Wspomniane związki pochodzenia antropogenicznego z cytostatykami łączy nie tylko budowa o charakterze aromatycznym, lecz również rakotwórczość oraz wywoływanie mutacji, a więc zmian w materiale genetycznym.

Przyjemne z pożytecznym

Wytypowanie oraz skolekcjonowanie grzybów oznaczało sytuację niecodzienną dla przykładnego nerda, gdyż wiązało się z wyściubieniem nosa na zewnątrz, opuszczeniem murów uczelni, spacerem po parku oraz zebraniem wybranych gatunków. Sheldon Cooper z serialu The Big Bang Theory zapewne wykorzystałby w takiej sytuacji doktorantów, ale to właśnie ja jestem doktorantką.

Na szczęście pozostałe etapy projektu gwarantowały już bezpieczne i znane środowisko życia studentki inżynierii środowiska, jakim było laboratorium, w którym dokonaliśmy izolacji wybranych szczepów metodą tkankową, polegającą na brutalnym wyrwaniu fragmentu grzybni oraz bardziej humanitarną, zarodnikową. Następnie szczepy zostały namnożone, a identyfikacja wyselekcjonowanych organizmów z wykorzystaniem metod biologii molekularnej potwierdzona. Użyliśmy w tym celu metody sekwencjonowania opracowanej przez Fredericka Sangera, który uzyskał za to jedną z dwóch otrzymanych w dziedzinie chemii nagród Nobla, trafiając tym samym do niezwykle wąskiego, bo jednoosobowego grona osób, którym udało się to osiągnąć, i wzbudzając szacunek okraszony odrobiną zazdrości wszystkich naukowców.

We wspomnianym wcześniej azylu naukowca, czyli laboratorium, wykonaliśmy także testy wstępne tolerancji grzybów na wybrane substancje poprzez ocenę ich zdolności do wzrostu w towarzystwie cytostatyków. Wyniki były bardzo obiecujące i wskazywały, że nasza dociekliwość w rozwiązaniu zagadki skutecznej eliminacji farmaceutyków ze środowiska, rodem z powieści o Sherlocku Holmesie, może się opłacić.

Rys. 1 Kruchawica aksamitna – jeden z zebranych grzybów

Grzybowy zawrót głowy

Grzyby to grupa organizmów o dużym potencjale, a jednocześnie bardzo niedoceniana. Interesujące, że ich wcześniejszy kontakt z danym rodzajem ksenobiotyku nie jest konieczny, aby wytworzyć odpowiedni aparat enzymatyczny. Są one również zdolne do rozkładu złożonych mieszanin zanieczyszczeń, co ma ogromne znaczenie, zważywszy, że farmaceutyki nigdy nie wpływają do wód jako pojedyncze substancje. Grzyby są efektywne w degradacji zarówno stosunkowo wysokich, jak i bardzo niskich stężeń leków. Organizmy te wydają się obiecującym narzędziem do usuwania cytostatyków także ze względu na inne mechanizmy przydatne w eliminacji zanieczyszczeń ze środowiska, jak degradacja przez związanie ksenobiotyku z grzybnią lub sorpcję, czyli pochłanianie substancji chemicznych przez sorbent, którym jest porowate ciało grzyba. W tym celu można użyć zarówno aktywnej – żywej, jak i nieaktywnej – martwej biomasy, choć oczywiście nie jednocześnie, gdyż grzyby to nie kot Schrödingera. Możliwe jest również użycie samych enzymów.

Przyszłe perspektywy wykorzystania tych organizmów są bardzo obiecujące. Grzyby otwierają drogę do stworzenia nowych, przyjaznych środowisku technologii poprzez ich aplikację w oczyszczalni ścieków, gdzie mogą służyć do usuwania różnych grup farmaceutyków. To właśnie one wydają się idealnym narzędziem do walki o czyste środowisko.

W tej sekundzie gdzieś na świecie wyrasta kolejny grzyb. Właśnie jakiś szczep zaczął produkować enzymy zdolne do rozkładu substancji nawet o bardzo skomplikowanej budowie chemicznej, a nam udało się wykorzystać potencjał tych organizmów do usuwania farmaceutyków. Być może jesteśmy świadkami przełomowego momentu, gdy dzięki niezwykłej współpracy z naturą leki cytostatyczne stały się zbawieniem, a przestały być równocześnie zagrożeniem.

Mgr inż. Marcelina Jureczko, doktorantka w Katedrze Biotechnologii Środowiskowej, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach