Ko ste se rodili, ste polovico genov podedovali od matere, polovico pa od očeta. To je vaše veliko. Ti podedovani koščki DNK bodo ostali z vami vse življenje, brez dodatnih dodatkov ali opustitev. Ne morete imeti nobenega od mojih genov in ne morem pridobiti nobenega od vaših.
Sorodne vsebine
- Ste tisto, kar jeste, in kar jeste, je milijone mikrobov
- Ujetniški Komodo zmaji delijo svoj mikavni mikrobiom s svojim okoljem, tako kot mi
A predstavljajte si drugačen svet, kjer lahko prijatelji in sodelavci zamenjajo gene po želji. Če ima vaš šef gen, zaradi katerega je odporen na različne viruse, si ga lahko izposodite. Če ima vaš otrok gen, ki ga ogroža bolezen, ga lahko zamenjate za svojo bolj zdravo različico. Če imajo daljni sorodniki gen, ki jim omogoča, da bolje prebavijo določeno hrano, je tvoj. V tem svetu geni niso samo dediščine, ki se prenašajo navpično iz generacije v generacijo, temveč blago, s katerim se lahko trguje vodoravno, od posameznika do drugega.
To je točno svet, v katerem živijo bakterije. Lahko si izmenjujejo DNK tako enostavno, kot bi lahko izmenjali telefonske številke, denar ali ideje. Včasih se lotijo drug drugega, ustvarijo fizično povezavo in prenašajo koščke DNK čez: njihov ekvivalent spola. Lahko tudi poiščejo zavržene koščke DNK v svojem okolju, ki jih zapustijo njihovi mrtvi in propadajoči sosedje. Lahko se celo zanesejo na viruse za premikanje genov iz ene celice v drugo. DNK tako prosto teče med njimi, da je genom tipične bakterije marmoriran z geni, ki so prišli od vrstnikov. Celo tesno povezani sovi imajo lahko velike genetske razlike.
Bakterije izvajajo te horizontalne prenose genov ali kratke HGT že več milijard let. Toda šele v dvajsetih letih prejšnjega stoletja so znanstveniki prvič ugotovili, kaj se dogaja. Opazili so, da neškodljivi sevi pnevmokoka lahko nenadoma začnejo povzročati bolezen, potem ko se zmešajo z odmrlimi in pulpiranimi ostanki kužnih sevov. Nekaj v izvlečkih jih je spremenilo. Leta 1943 je "tihi revolucionar" in mikrobiolog z imenom Oswald Avery pokazal, da je ta transformativni material DNK, ki ga je neinfekcijski sev absorbiral in integriral v lastne genome. Štiri leta pozneje je mladi genetičar po imenu Joshua Lederberg (ki bi pozneje populariziral besedo mikrobiom) pokazal, da bakterije lahko neposredno trgujejo z DNK.
Vsebuje množice: Mikrobi znotraj nas in širši pogled na življenje
NakupŠestdeset let naprej vemo, da je HGT eden najglobljih vidikov življenja bakterij. Omogoča, da se bakterije razvijejo z bliskovitimi hitrostmi. Ko se soočajo z novimi izzivi, jim ni treba čakati, da se prave mutacije počasi zberejo znotraj obstoječe DNK. Prilagoditve si lahko izposodijo na debelo, tako da poberejo gene mimoidočih, ki so se že prilagodili izzivom. Ti geni pogosto vključujejo jedilne garniture za razgradnjo neizkoriščenih virov energije, ščiti, ki ščitijo pred antibiotiki ali arzenali za okužbo novih gostiteljev. Če inovativna bakterija razvije eno od teh genetskih orodij, lahko njeni sosedje hitro pridobijo enake lastnosti. Ta postopek lahko v trenutku spremeni mikrobe iz neškodljivih prebivalcev črevesja v pošasti, ki povzročajo bolezni, iz mirnih Jekyllsov v zlovešče Hydes.
Prav tako lahko preoblikujejo ranljive patogene, ki jih je enostavno ubiti v nočne more »superbabe«, ki se izognejo tudi našim najmočnejšim zdravilom. Širjenje teh bakterij, odpornih na antibiotike, je nedvomno ena največjih groženj javnemu zdravju 21. stoletja in priča o nebrzdani moči HGT.
Živali niso tako hitre. Na nove izzive se prilagajamo na običajno počasen in enakomeren način. Posamezniki z mutacijami, ki jim bodo najbolj ustrezali življenjskim izzivom, bolj verjetno preživijo in svoje genetske darove prenašajo na naslednje generacije. Sčasoma postanejo koristne mutacije pogostejše, škodljive pa zbledijo. To je klasična naravna selekcija - počasen in stalen proces, ki prizadene populacijo, ne pa posameznike. Hornetsi jastrebi in ljudje lahko postopoma kopičijo koristne mutacije, toda posamezni hornet ali ta specifični jastreb ali ti določeni ljudje ne morejo pobrati koristnih genov zase.
Razen včasih lahko. Lahko bi zamenjali svoje simbiotske mikrobe in takoj pridobili nov paket mikrobnih genov. Lahko pripeljejo nove bakterije v stik s tistimi v svojem telesu, tako da tuji geni selijo v njihov mikrobiom in tako svoje naravne mikrobe prebudijo z novimi sposobnostmi. V redkih, a dramatičnih priložnostih lahko mikrobne gene integrirajo v lastne genome.
Vznemirljivi novinarji včasih radi trdijo, da HGT izziva Darwinov pogled na evolucijo, in sicer tako, da omogoča organizmom, da se izognejo tiraniji navpičnega dedovanja. ("Darwin je bil napačen, " je razglasil zloglasno naslovnico New Scientist - napačno.) To ni res. HGT dodaja nove spremembe v živalskem genomu, a ko ti skočilni geni prispejo v svoje nove domove, so še vedno podvrženi dobri naravni selekciji.
Škodljivi umrejo skupaj s svojimi novimi gostitelji, koristni pa se prenesejo na naslednje generacije. Ta je tako klasično darwinijska, kot je - vanilija v svojem okusu in izjemna le v hitrosti. S partnerstvom z mikrobi lahko pospešimo počasno, premišljeno prilagajanje naše evolucijske glasbe živahni, njihovi živahni alegro.
**********
Ob japonskih obalah se rdeče rjave morske alge oprimejo kamnin, ki jih preplavijo plimi. To je Porfira, bolj znana kot nori, in je napolnila japonske želodce že več kot 1300 let. Sprva ga ljudje zmeljejo v jedilno pasto. Kasneje so ga splošili v rjuhe, ki so jih ovili okoli žličk sušija. Ta praksa se nadaljuje še danes in priljubljenost nori se je razširila po vsem svetu. Kljub temu ima na Japonskem posebno vez. Dolga zapuščina uživanja norije v državi je pustila svoje ljudi še posebej dobro opremljene za prebavo morske zelenjave. Nimamo encimov, ki bi lahko razgradili alge, prav tako tudi večine bakterij v naših črevesju.
Toda morje je polno bolje opremljenih mikrobov. Eno od teh, bakterijo z imenom Zobellia galactanivorans, so odkrili pred natanko desetletjem, vendar morske alge jedo veliko dlje. Slika Zobellia pred stoletji, ki živi v obalnih japonskih vodah, sedi na koščku morske alge in jo prebavlja. Nenadoma je njegov svet ukoreninjen. Ribič nabira morske alge in jih uporablja za pripravo nori paste. Njegova družina volkove zapušča, zato pri Zobelliji pogoltnejo. Bakterija se znajde v novem okolju. Hladna slana voda je nadomestila želodčne sokove. Njene običajne vrste morskih mikrobov so nadomestile čudne in neznane vrste. In ko se druži s temi eksotičnimi neznanci, počne tisto, kar bakterije običajno naredijo, ko se srečajo: deli svoje gene.
Vemo, da se je to zgodilo, ker je Jan-Hendrick Hehemann odkril enega od Zobellijinih genov v človeški črevesni bakteriji, imenovani Bacteroides plebeius . Odkritje je bilo popoln šok: kaj je na svetu morski gen delal v črevesju človeka, ki je plazil? Odgovor vključuje HGT. Zobellia ni prilagojena življenju v črevesju, zato se je, ko se je vozila po morju, ni držala. Toda v kratkem času je lahko zlahka podaril nekatere svoje gene B. plebeiusu, vključno s tistimi, ki gradijo encime za prebavo morskih alg, imenovane porfiranaze.
Nenadoma je ta mikroba črevesja pridobila sposobnost razgradnje edinstvenih ogljikovih hidratov, ki jih najdemo v norih, in lahko uživa v tem ekskluzivnem viru energije, ki ga vrstniki niso mogli uporabiti. Hehemann je ugotovil, da je poln genov, katerih najbližji kolegi obstajajo v morskih mikrobih, ne pa v drugih vrstah na črevesju. Z večkratnim izposojo genov iz morskih mikrobov je postal spreten pri prebavi morske zelenjave.
B. plebeius ni sam pri tatvinskih morskih encimih. Japonci jedo norije že toliko časa, da so njihovi mikrobi v črevesju prežeti s prebavnimi geni iz oceanskih vrst. Kljub temu je malo verjetno, da se takšni prenosi še vedno dogajajo: Sodobni kuharji pečejo in kuhajo nori, sežgajo vse mikrobe, ki vozijo s pohodom. Pred desetletji preteklega stoletja so takšni mikrobi uspeli uvažati v črevesje, tako da so zaužili stvari surove.
Nato so svojim otrokom predali mikrobe iz črevesja, ki so zdaj napolnjeni z geni porfiranaze, ki jih puščajo morske alge. Hehemann je videl znake iste dediščine, ki se dogajajo danes. Eden izmed ljudi, ki ga je preučeval, je bilo neobremenjeno otroško dekle, ki v življenju še nikoli ni pojedlo niti usta sušija. In vendar so njene črevesne bakterije imele gen porfiranaze, tako kot je to storila njena mati. Njeni mikrobi so bili vnaprej prilagojeni za požiranje norov.
Hehemann je svoje odkritje objavil leta 2010 in ostaja ena najbolj presenetljivih zgodb o mikrobiomih. Japonski jedilniki pred več stoletji so samo z uživanjem morskih alg rezervirali skupino prebavnih genov na neverjetnem potovanju od morja do kopnega. Geni so se gibali vodoravno od morskih mikrobov do črevesja, nato pa navpično iz enega črevesa v drugega. Njihova potovanja so morda šla še dlje. Sprva je Hehemann mogel najti gene za porfiranaze samo v japonskih mikrobiomih in ne v severnoameriških. To se je zdaj spremenilo: nekateri Američani imajo očitno gene, tudi tisti, ki niso azijskega porekla.
Kako se je to zgodilo? Je B. plebeius skočil iz japonskih črevesja v ameriška? So geni prihajali iz drugih morskih mikrobov, ki so odlagali drugačno hrano? Valižani in Irci že dolgo uporabljajo morske alge Porphyra, da bi naredili jed, imenovano laver; bi lahko pridobili porfiranaze, ki so jih nato prenesli čez Atlantik? Za zdaj tega nihče ne ve. Toda vzorec "nakazuje, da se lahko ti geni, ko se zgodijo napadi na začetnega gostitelja, razpršijo med posamezniki, " pravi Hehemann.
To je imeniten primer prilagodljive hitrosti, ki jo podeljuje HGT. Ljudem ni treba razvijati gena, ki lahko razgradi ogljikove hidrate v morskih algah; če pogoltnimo dovolj mikrobov, ki lahko prebavijo te snovi, obstaja velika verjetnost, da se bodo naše bakterije naučile trika s HGT.
HGT je odvisen od bližine, naša telesa pa v veliki meri inženirajo bližino z zbiranjem mikrobov v gosto množico. Pravijo, da so mesta središča inovacij, saj osredotočajo ljudi na isto mesto, kar omogoča, da ideje in informacije tečejo bolj svobodno. Na enak način so živalska telesa vozlišča genske inovacije, saj omogočajo, da DNK lahko bolj prosto teče med stisnjenimi množicami mikrobov. Zaprite oči in sliki genov, ki se vijejo po telesu, prehajajo iz enega mikroba v drugega. Trgamo po trgih, kjer trgovci z bakterijami izmenjujejo svoje genetske izdelke.
***********
Na telesih živali je dom toliko mikrobov, da občasno njihovi geni vstopijo v naše genome. In včasih ti geni obdarijo svoje nove gostitelje z neverjetnimi sposobnostmi.
Hrošček kare jagod je škodljivec, ki je v svoj genom vgradil bakterijski gen, ki svojim ličinkam omogoča prebavo bujnih banketov ogljikovih hidratov znotraj kavnih zrn. Nobena druga žuželka - niti zelo tesni sorodniki - nima istega gena ali česa podobnega; samo bakterije. S skokom v starodavni kavni borer je gen dovolil, da se je ta nezahtevni hrošč razširil po regijah za gojenje kave po vsem svetu in postal kraljevska bolečina v espressu.
Kmetje torej vzljubijo HGT - pa tudi razloge, da ga praznujejo. Za eno skupino osi so brakonidi, preneseni geni omogočili bizarno obliko zatiranja škodljivcev. Samice teh osi odlagajo jajčeca v še žive gosenice, ki jih mladi nato požrejo živo. Da bi grubam podale roko, samice gosenicam vbrizgajo tudi viruse, ki zavirajo njihov imunski sistem. Temu pravimo brakovivirusi in niso le zavezniki osi: so del osi. Njihovi geni so postali popolnoma integrirani v brakonidni genom in so pod njegovim nadzorom.
Brakovivirusi so udomačeni virusi! Za njihovo razmnoževanje so v celoti odvisni od osi. Nekateri bi lahko rekli, da niso resnični virusi; so skoraj kot izločki telesa osa, ne pa entitete po svoje. Gotovo so izvirali iz starodavnega virusa, katerega geni so se odpeljali v DNK prednika brakonida in tam ostali. Ta združitev je povzročila več kot 20.000 vrst brakonidnih osi, ki imajo v svojih genomi brakoviviruse - ogromno dinastijo parazitov, ki kot biološko orožje uporablja simbiotske viruse.
Druge živali so uporabile vodoravno prenesene gene za obrambo pred zajedavci. Konec koncev so bakterije najboljši vir antibiotikov. Med seboj so bili v vojni že več milijard let in izumili so obsežen arzenal genetskega orožja za pretepanje svojih tekmecev. Ena družina genov, znana kot tae, naredi beljakovine, ki luknjajo luknje v zunanjih stenah, kar povzroča smrtno puščanje. Te so razvili mikrobi za uporabo proti drugim mikrobom. Toda tudi ti geni so našli pot do živali. Škorpijoni, pršice in klopi jih imajo. Tako tudi morske anemone, ostrige, vodne bolhe, limpe, morski polži in celo lancelet - zelo sorodnik sorodnih živali, kot smo mi.
Družina tae ponazarja vrste genov, ki se s HGT širijo zelo enostavno. So samozadostne in ne potrebujejo podporne skupine drugih genov, da bi opravile svoje delo. So tudi univerzalno uporabni, saj izdelujejo antibiotike. Vsako živo bitje se mora spopadati z bakterijami, zato bo vsak gen, ki svojemu lastniku omogoča učinkovitejši nadzor nad bakterijami, dobil koristno zaposlitev na celotnem drevesu življenja. Če lahko skoči, ima lepe možnosti, da se uveljavi kot produktivni del svojega novega gostitelja. Ti skoki so toliko bolj impresivni, ker se mi ljudje, z vso svojo inteligenco in tehnologijo, pozitivno borimo za ustvarjanje novih antibiotikov. Tako zabeleženi smo, da desetletja nismo odkrili nobenih novih vrst. Toda preproste živali, kot so klopi in morske anemone, lahko naredijo svoje, takoj dosežejo tisto, kar potrebujemo za številne kroge raziskav in razvoja - vse z vodoravnim prenosom genov.
V teh zgodbah je HGT prikazan kot dodatna sila, ki mikrobe in živali vlije v čudovite nove moči. Lahko pa je tudi odšteven. Isti postopek, ki prejemnikom živali daje koristne mikrobne sposobnosti, lahko mikrobe same posušijo in razpadajo do te mere, da popolnoma izginejo in ostanejo le njihove genetske zapuščine.
Stvar, ki najbolje ponazarja ta pojav, je mogoče najti v rastlinjakih in poljih po vsem svetu, kar je hvaležno za kmete in vrtnarje. To je citrusna mušica: majhna žuželka, ki sesa sok, ki je videti kot sprehajoči se prhljaj kosmiča ali lesena moka, ki je bila posuta z moko. Paul Buchner, tisti super pridni učenjak simbiontov, je obiskal klan Mačji bug na svoji turneji po svetu žuželk. Na nikogar presenečenje je v svojih celicah našel bakterije. Toda bolj nenavadno je opisal tudi "okrogle ali dolgotrajne sluzave krogle, v katere so simbionti debelo vgrajeni". Ti globusi so desetletja zamrli v nepreglednosti do leta 2001, ko so znanstveniki izvedeli, da niso samo hiše za bakterije. Bili so same bakterije.
Citrusna pita je živa lutka matryoshka. V svojih celicah živijo bakterije, v njih pa živi več bakterij. Napake v napakah znotraj napak. Večji se zdaj imenuje Tremblaya po Ermenegildo Tremblay, italijanski entomolog, ki je študiral pri Buchnerju. Manjša se imenuje Moranella po povodnikih, Nancy Moran. ("Nekakšna patetična malenkost se imenuje po tebi, " mi je rekla z nasmehom.)
John McCutcheon je določil izvor te čudne hierarhije - in skoraj je neverjeten v njenih zasukih. Začne se pri Tremblaya, prvi od obeh bakterij, ki sta kolonizirali moke. Postal je stalni prebivalec in tako kot številni simbionti žuželk izgubil gene, ki so bili pomembni za svobodno življenje. V prijetnih mejah svojega novega gostitelja bi si lahko privoščil, da bi se prebil z bolj pretočnim genomom. Ko se je Moranella pridružila tej dvosmerni simbiozi, si je Tremblaya lahko privoščil, da izgubi še več genov, pri čemer je zagotovil, da bo nov prihod počakal zaostanek . Tukaj je HGT bolj za evakuacijo bakterijskih genov iz kapsule. Ohranja gene, ki bi se sicer izgubili zaradi neizogibnega razpada, ki prizadene simbiontske genome.
Na primer, vsi trije partnerji sodelujejo pri pridobivanju hranil. Za ustvarjanje aminokisline fenilalanin potrebujejo devet encimov. Tremblaya lahko sestavi 1, 2, 5, 6, 7 in 8; Moranela lahko naredi 3, 4 in 5; in samega moka naredi 9. Niti motovilec niti obe bakteriji ne moreta sami narediti fenilalanina; drug od drugega so odvisni od zapolnitve vrzeli v svojih repertoarjih. To me spominja na Graeae grške mitologije: tri sestre, ki si med seboj delijo eno oko in en zob. Vse več bi bilo odveč: Njihova ureditev, čeprav nenavadna, jim še vedno omogoča, da vidijo in žvečijo. Tako je tudi z obrokom in njegovimi simbionti. Končali so z eno samo presnovno mrežo, porazdeljeno med njihove tri komplementarne genome. V aritmetiki simbioze je lahko ena plus ena plus ena ena.
*********
Svet okoli nas je velikanski rezervoar potencialnih partnerjev mikrobov. Vsaka ustnica bi lahko vnesla nove mikrobe, ki prebavljajo prej nedosegljiv del naših obrokov ali razstrupljajo strupe v prej neužitni hrani ali pa ubijejo zajedavca, ki je pred tem zaviral naše številke. Vsak nov partner lahko svojemu gostitelju pomaga pojesti malo več, potuje malo naprej, preživi še malo.
Večina živali se ne more namerno vključiti v te odprtokodne prilagoditve. Zanesti se morajo na srečo, če jih bodo obdržali s pravimi partnerji. Toda mi ljudje nismo tako omejeni. Smo inovatorji, načrtovalci in reševalci težav. In imamo eno ogromno prednost, ki jo primanjkuje vsem drugim živalim: Vemo, da mikrobi obstajajo! Oblikovali smo instrumente, ki jih lahko vidijo.
Namenoma jih lahko gojimo. Imamo orodja, ki lahko razširijo pravila, ki urejajo njihov obstoj, in naravo njihovih partnerstev z nami. In to nam daje moč, da namerno manipuliramo s temi partnerstvi. Zamrle skupnosti mikrobov lahko nadomestimo z novimi, ki bodo privedle do boljšega zdravja. Ustvarimo lahko nove simbioze, ki se borijo z boleznijo. In lahko razrešimo starostno zavezništvo, ki ogroža naše življenje.
Iz prihodnje knjige VSEBUJEM MULTITUDES: Mikrobi znotraj nas in širši pogled na življenje Ed Yonga. Copyright © 2016 avtor Ed Yong. Ecco mora objaviti 9. avgusta, odtis HarperCollins Publishers. Ponatisnjeno z dovoljenjem .
