Kiedy się urodziłeś, odziedziczyłeś połowę genów od matki, a połowę od ojca. To twój los. Te odziedziczone fragmenty DNA pozostaną z tobą przez całe życie, bez żadnych dodatkowych uzupełnień ani pominięć. Nie możesz mieć żadnego z moich genów, a ja nie mogę zdobyć żadnego z twoich.
powiązana zawartość
- Jesteś tym, co jesz, a to, co jesz, to miliony drobnoustrojów
- Zniewolone smoki Komodo dzielą się swym tętniącym mikrobiomem ze swoim otoczeniem, tak jak my
Ale wyobraź sobie inny świat, w którym przyjaciele i koledzy mogą dowolnie wymieniać geny. Jeśli twój szef ma gen, który czyni ją odporną na różne wirusy, możesz go pożyczyć. Jeśli twoje dziecko ma gen, który naraża go na chorobę, możesz go zamienić na zdrowszą wersję. Jeśli dalsi krewni mają gen, który pozwala im lepiej trawić określone pokarmy, to jest twój. Na tym świecie geny to nie tylko pamiątki rodowe przekazywane z pokolenia na pokolenie, ale towary, które można handlować poziomo, z jednej osoby na drugą.
Właśnie w tym świecie żyją bakterie. Mogą wymieniać DNA tak łatwo, jak my możemy wymieniać numery telefonów, pieniądze lub pomysły. Czasami zbliżają się do siebie, tworzą fizyczne połączenie i przesyłają fragmenty DNA: ich odpowiednik seksu. Mogą również zbierać odrzucone fragmenty DNA w swoim środowisku, pozostawione przez martwych i rozkładających się sąsiadów. Mogą nawet polegać na wirusach do przenoszenia genów z jednej komórki do drugiej. DNA przepływa między nimi tak swobodnie, że genom typowej bakterii jest marmurkowaty z genami pochodzącymi od jej rówieśników. Nawet blisko spokrewnione szczepy mogą mieć znaczne różnice genetyczne.
Bakterie przeprowadzają te horyzontalne transfery genów, w skrócie HGT, od miliardów lat. Ale dopiero w latach dwudziestych XX wieku naukowcy po raz pierwszy zdali sobie sprawę z tego, co się dzieje. Zauważyli, że nieszkodliwe szczepy Pneumococcus mogą nagle zacząć powodować choroby po zmieszaniu się z martwymi i zmiażdżonymi resztkami szczepów zakaźnych. Coś w wyciągach je zmieniło. W 1943 r. „Cichy rewolucjonista” i mikrobiolog Oswald Avery wykazał, że tym transformującym materiałem było DNA, które niezakaźne szczepy zaabsorbowały i zintegrowały z własnymi genomami. Cztery lata później młody genetyk Joshua Lederberg (który później spopularyzował słowo „mikrobiom”) wykazał, że bakterie mogą handlować DNA bardziej bezpośrednio.
Zawieram tłumy: mikroby w nas i lepszy pogląd na życie
KupowaćSześćdziesiąt lat później wiemy, że HGT jest jednym z najgłębszych aspektów życia bakteryjnego. Umożliwia ewolucję bakterii z zawrotnymi prędkościami. Kiedy stają przed nowymi wyzwaniami, nie muszą czekać na odpowiednie mutacje, aby powoli zgromadzić się w swoim istniejącym DNA. Mogą po prostu pożyczyć adaptacje hurtowo, pobierając geny od osób postronnych, które już dostosowały się do wyzwań. Geny te często obejmują zestawy do rozkładania niewykorzystanych źródeł energii, tarcze chroniące przed antybiotykami lub arsenały do infekowania nowych gospodarzy. Jeśli innowacyjna bakteria rozwinie jedno z tych narzędzi genetycznych, jej sąsiedzi mogą szybko uzyskać te same cechy. Proces ten może natychmiast zmienić mikroby z nieszkodliwych mieszkańców jelit w potwory chorobotwórcze, z pokojowych Jekyllów w złowrogie Hydy.
Mogą również przekształcać wrażliwe patogeny, które łatwo zabić, w koszmarne „superbakterie”, które odtrącają nawet nasze najsilniejsze leki. Rozprzestrzenianie się tych bakterii opornych na antybiotyki jest niewątpliwie jednym z największych zagrożeń dla zdrowia publicznego XXI wieku i świadczy o nieokiełznanej sile HGT.
Zwierzęta nie są tak szybkie. Dostosowujemy się do nowych wyzwań w zwykły powolny i stały sposób. Osoby z mutacjami, które sprawiają, że są najlepiej dostosowane do wyzwań życiowych, mają większe szanse na przeżycie i przekazanie swoich genetycznych darów następnemu pokoleniu. Z czasem użyteczne mutacje stają się bardziej powszechne, a szkodliwe zanikają. Jest to klasyczny dobór naturalny - powolny i stały proces, który wpływa na populacje, a nie pojedyncze osoby. Szerszenie jastrzębie, a ludzie mogą stopniowo akumulować korzystne mutacje, ale ten pojedynczy szerszeń, lub ten konkretny jastrząb, lub ci konkretni ludzie, nie są w stanie samodzielnie zdobyć korzystnych genów.
Z wyjątkiem czasami mogą. Mogli zamienić swoje symbiotyczne mikroby, natychmiast zdobywając nowy pakiet genów mikrobiologicznych. Mogą kontaktować nowe bakterie z tymi w ich ciałach, dzięki czemu obce geny migrują do ich mikrobiomu, nasycając ich rodzime mikroby nowymi zdolnościami. W rzadkich, ale dramatycznych przypadkach mogą integrować geny drobnoustrojów we własnych genomach.
Podekscytowani dziennikarze czasami lubią twierdzić, że HGT podważa pogląd Darwina na ewolucję, pozwalając organizmom na ucieczkę od tyranii dziedzictwa wertykalnego. („Darwin się mylił” - ogłosił niesławną okładkę Nowego Naukowca - mylnie.) To nie jest prawda. HGT dodaje nową odmianę do genomu zwierzęcia, ale gdy te skaczące geny pojawią się w nowych domach, nadal podlegają dobrej selekcji naturalnej.
Szkodliwi umierają wraz ze swoimi nowymi gospodarzami, a dobroczynni przechodzą na następne pokolenie. Jest tak klasycznie darwinowski, jak to możliwe - waniliowy w smaku i wyjątkowy tylko pod względem szybkości. Współpracując z mikrobami, możemy przyspieszyć powolne, celowe adagio naszej muzyki ewolucyjnej do energicznego, żywego allegro.
**********
Wzdłuż wybrzeży Japonii czerwonawo-brązowe wodorosty przylegają do skał pływowych. To jest Porphyra, lepiej znana jako nori, i wypełnia japońskie żołądki od ponad 1300 lat. Początkowo ludzie mielą go na jadalną pastę. Później spłaszczili go na arkusze, które owinęli wokół kawałków sushi. Ta praktyka trwa do dziś, a popularność nori rozprzestrzeniła się na cały świat. Mimo to ma szczególny związek z Japonią. Długa spuścizna konsumpcji nori w kraju sprawiła, że jej mieszkańcy są szczególnie dobrze przygotowani do trawienia warzyw morskich. Nie mamy żadnych enzymów, które mogłyby rozkładać glony, podobnie jak większość bakterii w naszych jelitach.
Ale morze jest pełne lepiej wyposażonych drobnoustrojów. Jedna z nich, bakteria o nazwie Zobellia galactanivorans, została odkryta zaledwie dziesięć lat temu, ale od dłuższego czasu spożywa wodorosty. Wyobraź sobie Zobellię sprzed wieków, żyjącą w przybrzeżnych japońskich wodach, siedzącą na kawałku wodorostów i trawiącą go. Nagle jego świat zostaje wyrwany z korzeniami. Rybak zbiera wodorosty i wykorzystuje je do przygotowania pasty nori. Jego rodzina wilki zjadają te kąski, a robiąc to, połykają Zobellię . Bakteria znajduje się w nowym środowisku. Zimne słoną wodę zastąpiono sokami żołądkowymi. Zwykle koteria drobnoustrojów morskich została zastąpiona dziwnymi i nieznanymi gatunkami. A gdy miesza się z tymi egzotycznymi nieznajomymi, robi to, co bakterie zwykle robią, gdy się spotykają: dzieli swoje geny.
Wiemy, że stało się tak, ponieważ Jan-Hendrick Hehemann odkrył jeden z genów Zobellii w ludzkiej bakterii jelitowej o nazwie Bacteroides plebeius . Odkrycie to było całkowitym szokiem: co, u licha, robił gen morski w jelitach człowieka oblegającego lądem? Odpowiedź dotyczy HGT. Zobellia nie jest przystosowana do życia w jelitach, więc kiedy wjechała na kęsy nori, nie pozostała. Ale podczas krótkiej kadencji mógł łatwo przekazać niektóre swoje geny B. plebeius, w tym te, które budują enzymy trawiące wodorosty zwane porfiranazami.
Nagle ten drobnoustrój jelitowy zyskał zdolność do rozkładania unikalnych węglowodanów znajdujących się w nori i mógł delektować się tym wyjątkowym źródłem energii, którego jego rówieśnicy nie mogli wykorzystać. Hehemann odkrył, że jest pełen genów, których najbliższe odpowiedniki istnieją w drobnoustrojach morskich, a nie w innych gatunkach opartych na jelitach. Wielokrotnie zapożyczając geny z drobnoustrojów morskich, stał się biegły w trawieniu warzyw morskich.
B. plebeius nie jest sam w złodziejstwie morskich enzymów. Japończycy jedzą nori tak długo, że ich drobnoustroje jelitowe są usiane genami trawiennymi gatunków oceanicznych. Jest jednak mało prawdopodobne, aby takie transfery wciąż trwały: współcześni szefowie kuchni pieczą i gotują nori, spalając wszelkie drobnoustroje autostopem. Stuleci sprzed wieków zdołali tylko sprowadzić takie drobnoustroje do swoich jelit, jedząc je na surowo.
Następnie przekazali swoje dzieci drobnoustrojom jelitowym, wypełnionym genami porfiranazy niszczącymi wodorosty. Hehemann widział dziś oznaki tego samego dziedzictwa. Jedną z osób, które studiował, była niesadzona dziewczynka, która nigdy w życiu nie zjadła kęsa sushi. A jednak bakterie jelitowe miały gen porfiranazy, podobnie jak jej matka. Jej drobnoustroje zostały wstępnie przystosowane do pożerania nori.
Hehemann opublikował swoje odkrycie w 2010 roku i pozostaje ono jedną z najbardziej uderzających historii mikrobiomów. Po prostu jedząc wodorosty, japońscy dinerowie sprzed wieków zarezerwowali grupę genów trawiennych w niesamowitą podróż z morza na ląd. Geny przenosiły się poziomo z drobnoustrojów morskich do drobnoustrojów jelitowych, a następnie pionowo z jednego jelita do drugiego. Ich podróże mogły pójść jeszcze dalej. Na początku Hehemann mógł znaleźć geny porfiranazy tylko w mikrobiomach japońskich, a nie w północnoamerykańskich. To się teraz zmieniło: niektórzy Amerykanie wyraźnie mają geny, nawet ci, którzy nie pochodzą z Azji.
Jak to się stało? Czy B. plebeius wskoczył z japońskich jelit do amerykańskich? Czy geny pochodzą od innych drobnoustrojów morskich chowanych na pokładzie różnych pokarmów? Walijczycy i Irlandczycy od dawna używają wodorostów Porphyra do wyrobu potrawy zwanej laver; czy mogli zdobyć porfiranazy, które następnie nosili przez Atlantyk? Na razie nikt nie wie. Ale wzór „sugeruje, że gdy geny te uderzą w początkowego gospodarza, gdziekolwiek się to zdarzy, mogą się rozproszyć między osobnikami”, mówi Hehemann.
To wspaniały przykład adaptacyjnej prędkości, jaką zapewnia HGT. Ludzie nie muszą ewoluować genu, który może rozkładać węglowodany w wodorostach; jeśli połkniemy wystarczającą liczbę drobnoustrojów, które mogą trawić te substancje, istnieje szansa, że nasze własne bakterie „nauczą się” tej sztuczki dzięki HGT.
HGT zależy od bliskości, a nasze ciała konstruują bliskość na dużą skalę, gromadząc drobnoustroje w gęstych tłumach. Mówi się, że miasta są ośrodkami innowacji, ponieważ koncentrują ludzi w tym samym miejscu, umożliwiając swobodny przepływ pomysłów i informacji. W ten sam sposób ciała zwierząt są ośrodkami innowacji genetycznej, ponieważ umożliwiają DNA swobodniejszy przepływ między stłoczonymi masami drobnoustrojów. Zamknij oczy, a motki obrazowe genów owijające się wokół twojego ciała, przechodzą od jednego mikroba do drugiego. Żyjemy na targowiskach, na których handlowcy bakteryjni wymieniają się swoimi towarami genetycznymi.
***********
Ciała zwierząt są domem dla tak wielu drobnoustrojów, że czasami ich geny przedostają się do naszych genomów. Czasami geny te nadają swoim nowym gospodarzom niesamowite zdolności.
Świder kawowy z jagód jest szkodnikiem, który włączył gen bakteryjny do własnego genomu, który umożliwia jego larwom trawienie bujnych bankietów węglowodanów w ziarnach kawy. Żaden inny owad - nawet bliscy krewni - nie ma tego samego genu lub czegoś podobnego; robią to tylko bakterie. Wskakując do starożytnego świdra kawy, gen pozwolił temu skromnemu chrząszczowi rozprzestrzenić się po regionach uprawy kawy na całym świecie i stać się królewskim bólem w espresso.
Rolnicy mają zatem powody do nienawiści do HGT - ale także powody do świętowania. Dla jednej grupy os, braconidy, przeniesione geny umożliwiły dziwną formę zwalczania szkodników. Samice tych os składają jaja w wciąż żyjących gąsienicach, które ich młode pożerają żywcem. Aby pomóc karczownikom, kobiety również wstrzykują gąsienice wirusami, które tłumią ich układ odpornościowy. Są to tak zwane bracowirusy i nie są tylko sprzymierzeńcami os: są częścią os. Ich geny zostały całkowicie zintegrowane z genomem braconidów i są pod jego kontrolą.
Bracovirusy to udomowione wirusy! Ich rozmnażanie jest całkowicie uzależnione od os. Niektórzy mogą powiedzieć, że nie są to prawdziwe wirusy; są prawie jak wydzieliny ciała osy, a nie same istoty. Musieli pochodzić od starożytnego wirusa, którego geny przedostały się do DNA rodowego braconida i tam pozostały. W wyniku tej fuzji powstało ponad 20 000 gatunków osy braconidów, z których wszystkie mają genomy bracowirusów - ogromna dynastia pasożytów, która wykorzystuje wirusy symbiotyczne jako broń biologiczną.
Inne zwierzęta wykorzystywały geny przenoszone poziomo do obrony przed pasożytami. W końcu bakterie są ostatecznym źródłem antybiotyków. Walczą ze sobą od miliardów lat i wymyślili bogaty arsenał broni genetycznej do pokonania swoich rywali. Jedna rodzina genów, zwana tae, wytwarza białka, które wybijają dziury w zewnętrznych ścianach bakterii, powodując śmiertelne wycieki. Zostały one opracowane przez drobnoustroje do użycia przeciwko innym drobnoustrojom. Ale te geny również trafiły do zwierząt. Posiadają je skorpiony, roztocza i kleszcze. Podobnie jak zawilce morskie, ostrygi, pchły wodne, skałoczepy, ślimaki morskie, a nawet Lancet - bardzo bliski krewny zwierząt z kręgosłupem, takich jak my.
Rodzina tae stanowi przykład genów, które bardzo łatwo rozprzestrzeniają się przez HGT. Są samowystarczalne i nie potrzebują obsady innych genów, aby wykonywać swoją pracę. Są również uniwersalnie przydatne, ponieważ wytwarzają antybiotyki. Każda żywa istota musi walczyć z bakteriami, więc każdy gen, który pozwala jej właścicielowi na skuteczniejszą kontrolę bakterii, znajdzie pracę zarobkową na drzewie życia. Jeśli uda mu się wykonać skok, ma dużą szansę, aby stać się produktywną częścią swojego nowego gospodarza. Skoki te są tym bardziej imponujące, że my ludzie, z całą naszą inteligencją i technologią, pozytywnie walczymy o stworzenie nowych antybiotyków. Jesteśmy tak oszołomieni, że od dziesięcioleci nie odkryliśmy żadnych nowych typów. Ale proste zwierzęta, takie jak kleszcze i zawilce morskie, mogą tworzyć własne, natychmiast osiągając to, czego potrzebujemy do przeprowadzenia wielu rund badań i rozwoju - wszystko poprzez poziomy transfer genów.
Historie te przedstawiają HGT jako siłę addytywną, która napełnia zarówno drobnoustroje, jak i zwierzęta niesamowitymi nowymi mocami. Ale może być również odejmujące. Ten sam proces, który nadaje użytecznym zdolnościom mikrobiologicznym biorcom zwierząt, może sprawić, że same drobnoustroje uschną i rozpadną się do tego stopnia, że znikną całkowicie i pozostaną tylko ich genetyczne dziedzictwo.
Stworzenie, które najlepiej ilustruje to zjawisko, można znaleźć w szklarniach i na polach na całym świecie, ku wielkiemu rozczarowaniu rolników i ogrodników. To cytrusowa wełnowca: mały owad ssący sok, który wygląda jak chodzący płatek łupieżu lub wata drzewna posypana mąką. Paul Buchner, ten niezwykle pracowity badacz symbiontów, odwiedził klan wełnowców podczas swojej podróży po świecie owadów. Nic dziwnego, że znalazł bakterie w ich komórkach. Ale, co bardziej nietypowe, opisał także „okrągłe lub podłużne śluzowate globulki, w których głęboko osadzone są symbionty”. Te globulki pozostawały w ukryciu przez dziesięciolecia, aż do 2001 roku, kiedy naukowcy dowiedzieli się, że nie są tylko domami dla bakterii. Były same bakterie.
Mącznik cytrusowy to żywa lalka matryoshka. Ma bakterie żyjące w komórkach, a bakterie te mają w sobie więcej bakterii. Błędy w obrębie błędów w błędach. Większy nazywa się teraz Tremblaya po Ermenegildo Tremblay, włoskim entomologu, który studiował u Buchnera. Ten mniejszy nazywa się Moranella po Nancy Moran, wrangler-mszyce. („To trochę żałosna rzecz, którą można nazwać po tobie” - powiedziała z szerokim uśmiechem).
John McCutcheon opracował genezę tej dziwnej hierarchii - a jej zwroty akcji są prawie niewiarygodne. Zaczyna się od Tremblaya, pierwszej z dwóch bakterii kolonizujących wełnowce. Stał się stałym rezydentem i, jak wiele symbiontów owadów, utracił geny, które były ważne dla życia na wolności. W przytulnych granicach nowego gospodarza mógł sobie pozwolić na bardziej uproszczony genom. Kiedy Moranella dołączyła do tej dwukierunkowej symbiozy, Tremblaya mogła sobie pozwolić na utratę jeszcze większej liczby genów, mając pewność, że nowe przybycie nabierze luzu. Tutaj HGT polega bardziej na ewakuacji genów bakteryjnych ze statku wywracającego. Zachowuje geny, które w przeciwnym razie zostałyby utracone w wyniku nieuchronnego rozpadu, który dotyka genomów symbiont.
Na przykład wszyscy trzej partnerzy współpracują przy wytwarzaniu składników odżywczych. Aby stworzyć aminokwas fenyloalaninę, potrzebują dziewięciu enzymów. Tremblaya może budować 1, 2, 5, 6, 7 i 8; Moranella może tworzyć 3, 4 i 5; a sam wełnowak zajmuje 9 miejsce. Ani wełnowiec, ani dwie bakterie nie mogą same wytwarzać fenyloalaniny; polegają na sobie nawzajem, aby wypełnić luki w swoim repertuarze. Przypomina mi to Graeae z mitologii greckiej: trzy siostry, które dzielą jedno oko i jeden ząb. Coś więcej byłoby zbędne: ich układ, choć dziwny, wciąż pozwala im widzieć i żuć. Tak samo jest z wełnowcem i jego symbiontami. W rezultacie powstała jedna sieć metaboliczna, rozproszona między ich trzema komplementarnymi genomami. W arytmetyce symbiozy jeden plus jeden plus jeden może być równy jeden.
*********
Świat wokół nas jest gigantycznym zbiornikiem potencjalnych partnerów mikrobiologicznych. Każdy kęs może przynieść nowe drobnoustroje, które trawią wcześniej nietłukącą się część naszych posiłków, lub które detoksykują trucizny we wcześniej niejadalnym pożywieniu lub zabijają pasożyta, który wcześniej tłumił naszą liczbę. Każdy nowy partner może pomóc swojemu gospodarzowi zjeść trochę więcej, podróżować dalej, przetrwać trochę dłużej.
Większość zwierząt nie może celowo korzystać z tych adaptacji typu open source. Muszą polegać na szczęściu, aby wyposażyć ich w odpowiednich partnerów. Ale my, ludzie, nie jesteśmy tak ograniczeni. Jesteśmy innowatorami, planistami i rozwiązującymi problemy. I mamy jedną ogromną zaletę, której brakuje wszystkim innym zwierzętom: wiemy, że mikroby istnieją! Opracowaliśmy instrumenty, które mogą je zobaczyć.
Możemy celowo je hodować. Mamy narzędzia, które mogą rozszyfrować zasady rządzące ich istnieniem i charakterem ich partnerstwa z nami. To daje nam siłę do celowego manipulowania tymi partnerstwami. Możemy zastąpić słabnące społeczności drobnoustrojów nowymi, które doprowadzą do lepszego zdrowia. Możemy tworzyć nowe symbiozy zwalczające choroby. I możemy zerwać odwieczne sojusze, które zagrażają naszemu życiu.
Z nadchodzącej książki I CONTAIN MULTITUDES: The Microbes Within Us i Grander View of Life Eda Yonga. Prawa autorskie © 2016 Ed Yong. Zostanie opublikowany 9 sierpnia przez Ecco, odcisk wydawców HarperCollins. Przedruk za zgodą .
