Bakterije lahko ustvarjajo trdovratne skupnosti, ki se oprimejo površin in jih je težje odstraniti. Takšne združbe predstavljajo izziv v zdravstvu in živilski industriji. Raziskovalci Instituta »Jožef Stefan« so razvili novo računalniško orodje MicroICS, ki s pomočjo strojnega učenja razkriva podrobnosti njihove zgradbe. Preizkusili so ga na bakteriji listeriji, ki lahko povzroča nevarne okužbe s hrano. Kaj so ugotovili in zakaj je njihov dosežek pomemben?

Raziskovalka med pregledovanjem vzorca z mikroskopom v laboratoriju. (foto: Getty Images / Unsplash+)

Bakterije, ki se držijo skupaj

Bakterije si običajno predstavljamo kot drobne, posamezne organizme, ki jih lahko odstranimo s čiščenjem ali razkuževanjem. V resnici pa številne živijo v organiziranih skupnostih, pritrjenih na različne površine. Obdaja jih plast snovi, ki jo proizvajajo same in jim pomaga ohranjati skupno strukturo. Znanstveniki takšne združbe imenujejo biofilmi. Nastajajo lahko na naravnih in umetnih površinah, tudi v cevovodih, na medicinskih pripomočkih ter opremi za predelavo živil.

Njihova posebnost ni zgolj v številu mikroorganizmov, temveč v načinu njihovega povezovanja in razporeditve. Bakterije znotraj iste skupnosti lahko živijo v različnih razmerah, zaščitna struktura pa jim v določenih okoliščinah pomaga preživeti neugodne vplive okolja. Zato so nekateri biofilmi zahtevnejši za odstranjevanje. To je posebej pomembno tam, kjer lahko dolgotrajna prisotnost mikroorganizmov ogroža zdravje ali povzroča onesnaženje proizvodnih površin. Raziskovalce zato zanima, kako so takšne skupnosti zgrajene in katere lastnosti vplivajo na njihovo obstojnost.

Novo orodje na IJS

Na Institutu »Jožef Stefan« so 3. novembra predstavili razvoj orodja MicroICS, pri katerem so sodelovali raziskovalci odsekov za biotehnologijo, tehnologije znanja in fiziko trdne snovi. Njihovo sodelovanje je povezalo mikrobiološko znanje, napredno mikroskopijo in računalniško analizo podatkov. Raziskava, na kateri temelji orodje, je bila v znanstveni reviji npj Biofilms and Microbiomes objavljena že 8. julija, novembrska predstavitev pa je dosežek približala širši javnosti.

MicroICS omogoča analizo tridimenzionalnih mikroskopskih posnetkov bakterijskih biofilmov. Računalniški sistem iz slik najprej izlušči merljive značilnosti njihove zgradbe, nato pa s pomočjo strojnega učenja išče povezave med temi podatki in biološkimi lastnostmi. Pridobljeno znanje lahko uporabi pri razvrščanju novih posnetkov. Takšen pristop raziskovalcem omogoča sistematično primerjanje velikega števila vzorcev in prepoznavanje razlik, ki jih je zgolj z vizualnim pregledom težko dosledno ovrednotiti. Orodje je odprtokodno, zato ga lahko drugi raziskovalci nadalje razvijajo in prilagajajo svojim raziskavam.

Več kot 2.700 značilnosti

Zmogljivosti MicroICS so raziskovalci preizkusili na osmih različnih sevih bakterije Listeria monocytogenes. Iz tridimenzionalnih mikroskopskih posnetkov njihovih biofilmov je sistem pridobil več kot 2.700 merljivih strukturnih značilnosti. Gre za podatke, ki opisujejo prostorsko organiziranost bakterijskih združb, njihove oblike in druge lastnosti vidnih struktur. To ne pomeni, da so znanstveniki odkrili 2.700 novih lastnosti bakterij, temveč da lahko računalniški sistem njihovo zgradbo opiše zelo podrobno.

Na podlagi zbranih informacij so razvili model, ki je razlikoval med posameznimi sevi listerije in prepoznaval določene skupne značilnosti biofilmov. Preizkusili so ga tudi na vzorcih, katerih rast so v laboratoriju spreminjali z dodatki živilskih izvlečkov. Takšni poskusi omogočajo preučevanje razlik med bakterijskimi združbami, ki nastajajo v različnih razmerah. Raziskovalci lahko tako povezujejo dogajanje v mikroskopskem svetu s podatki, ki jih pridobijo iz obsežnih računalniških analiz. Prav povezovanje teh dveh področij predstavlja enega pomembnejših dosežkov nove metode.

Zakaj je listerija pomembna?

Bakterija Listeria monocytogenes je posebej zanimiva zaradi sposobnosti razmnoževanja pri nizkih temperaturah. Medtem ko hlajenje rast številnih drugih bakterij močno upočasni, se lahko listerija razmnožuje tudi v hladilniku. Nacionalni inštitut za javno zdravje (NIJZ) opozarja, da so okužbe posebej nevarne za nosečnice, novorojenčke, starejše in ljudi z oslabljenim imunskim sistemom. Pri zdravih odraslih je potek bolezni pogosto blažji, pri ranljivejših skupinah pa lahko povzroči resne zaplete.

Večje tveganje predstavljajo nekatera živila, pripravljena za neposredno uživanje, predvsem kadar so dlje časa shranjena v hladilniku. Mednje sodijo določeni mehki siri, izdelki iz nepasteriziranega mleka, ohlajene delikatesne jedi in nekateri ribji izdelki. NIJZ zato priporoča ustrezno hlajenje, hitro porabo pripravljenih živil in redno čiščenje hladilnika. Na Dnevnih Novicah smo že pisali o nevarnostih bakterijskih okužb pri pripravi hrane, takrat na primeru bakterije E. coli. Raziskovanje listerije odpira še eno pomembno vprašanje: kako so bakterije organizirane v združbah, ki lahko vztrajajo na proizvodnih površinah?

Kaj kažejo slovenski podatki?

Da spremljanje listerije ni zgolj raziskovalno vprašanje, potrjujejo tudi podatki uradnega nadzora živil v Sloveniji. Uprava RS za varno hrano, veterinarstvo in varstvo rastlin (UVHVVR) je v poročilu, izdanem leta 2026, predstavila rezultate spremljanja za leto 2024. V prodaji na drobno so analizirali 412 vzorcev živil, prisotnost listerije pa potrdili pri 20. Od teh je bilo 14 vzorcev živil živalskega izvora, štirje neživalskega izvora in dva vzorca sestavljenih živil.

Kot nevarne so ocenili tri vzorce. Ta podatek je pomemben, saj sama ugotovljena prisotnost bakterije še ne pomeni, da vsako živilo predstavlja enako tveganje. Pri presoji so pomembni vrsta izdelka, količina bakterij in merila za varnost živil. Poročilo navaja tudi 12 prijavljenih primerov listerioze pri ljudeh in dve smrti v letu 2024. Gre za podatke uradnega spremljanja, ki niso neposredno povezani z raziskavo MicroICS, vendar jasno kažejo, zakaj je razumevanje bakterij, njihovega preživetja in širjenja pomembno tudi zunaj raziskovalnih laboratorijev.

Kaj odkritje pomeni za prihodnost?

MicroICS odpira nove možnosti za preučevanje bakterijskih združb, predvsem tam, kjer je treba primerjati veliko število mikroskopskih posnetkov in poiskati povezave med njihovo zgradbo ter obnašanjem. Takšno znanje bi lahko dolgoročno pomagalo pri boljšem razumevanju razmer, v katerih bakterije ustvarjajo obstojne skupnosti. Za živilsko industrijo in zdravstvo so te ugotovitve zanimive predvsem zato, ker je preprečevanje neželenega razraščanja mikroorganizmov pogosto zahtevnejše od odstranjevanja posameznih bakterij.

Pri tem ostaja pomembna meja med laboratorijskim dosežkom in njegovo praktično uporabo. MicroICS ni novo zdravilo, diagnostični test za bolnike ali naprava za odstranjevanje bakterij. Njegovo uporabnost bo treba dodatno preveriti pri drugih mikroorganizmih, večjih zbirkah podatkov in v različnih raziskovalnih razmerah. Toda prav takšna orodja lahko znanstvenikom pomagajo zastavljati vprašanja, na katera doslej niso mogli dovolj natančno odgovoriti.

Dosežek slovenskih raziskovalcev zato ni v tem, da bi našli čudežno rešitev proti nevarnim bakterijam, temveč v novem načinu njihovega preučevanja. Če želimo razumeti, zakaj se nekatere bakterijske združbe tako vztrajno ohranjajo, moramo najprej videti, kako so zgrajene. Prav to zdaj omogoča MicroICS.