Кад сте се родили, пола гена сте наследили од мајке, а половину од оца. То је твој лот. Ти наслеђени делови ДНК остаће са вама целог живота, без додатних додавања или пропуста. Не можете имати ниједан мој ген, а ја не могу да купим ниједан ваш.
Сличан садржај
- Ти си оно што једеш, а оно што једеш - милиони микроба
- Заробљени Комодо Змајеви деле свој микробиом који врели, са својим окружењем, баш као и ми
Али замислите другачији свет у којем пријатељи и колеге могу заменити гене по вољи. Ако ваш шеф има ген који је чини отпорном на разне вирусе, можете га позајмити. Ако ваше дете има ген који га доводи у опасност од болести, можете га заменити за своју здравију верзију. Ако удаљени рођаци имају ген који им омогућава да боље пробављају одређену храну, то је ваше. У овом свету гени нису само наслеђа која се преносе вертикално са једне генерације на другу, већ су роба којом се може трговати хоризонтално, са једне јединке на другу.
То је управо свет у којем живе бактерије. Они могу да размењују ДНК тако лако, као што бисмо могли да разменимо телефонске бројеве, новац или идеје. Понекад се прикрају једна другој, стварају физичку везу и премештају парчиће ДНК преко: њиховог еквивалента пола. Такође могу да пронађу одбачене делове ДНК у свом окружењу, које оставе њихови мртви и пропадајуће комшије. Они се чак могу ослонити на вирусе за премештање гена из једне ћелије у другу. ДНК тече тако слободно између њих да је геном типичне бактерије мермеран генима који су стигли од својих вршњака. Чак и уско повезани сојеви могу имати значајне генетске разлике.
Бактерије врше ове хоризонталне трансфере гена, или ХГТ за кратко време, током милијарди година. Али тек у 1920-има научници су први пут схватили шта се дешава. Приметили су да безопасни сојеви пнеумокока могу нагло да почну да изазивају болест након стопирања са мртвим и нагомиланим остацима инфективних сојева. Нешто у екстрактима их је променило. 1943. године "тихи револуционар" и микробиолог по имену Освалд Авери показао је да је овај трансформативни материјал ДНК, који су неинфективни сојеви апсорбовали и интегрисали у своје геноме. Четири године касније, млади генетичар по имену Јосхуа Ледерберг (који ће касније популаризовати реч „микробиом“) показао је да бактерије могу директно да тргују ДНК.
Садржавам мноштво: Микроби у нама и величанственији поглед на живот
КупиШездесет година касније, знамо да је ХГТ један од најдубљих аспеката живота бактерија. Омогућује да се бактерије развију великом брзином. Кад се суоче са новим изазовима, не морају да чекају да праве мутације полако обједине унутар свог постојећег ДНК. Они могу само позајмити адаптације на велико, узимањем гена од пролазника који су се већ прилагодили изазовима који су пред њима. Ови гени често укључују сетове за ручавање неискоришћених извора енергије, штитнике који штите од антибиотика или арсенала за заразу нових домаћина. Ако иновативна бактерија развије један од ових генетских алата, њени суседи могу брзо добити исте особине. Овај процес може одмах да промени микробе из безопасних становника црева у чудовишта која изазивају болест, из мирних Јекиллс-а у злобне Хидес.
Они такође могу трансформирати рањиве патогене које је лако убити у ноћне „супербабе“ који разарају чак и наше најмоћније лекове. Ширење ових бактерија резистентних на антибиотике несумњиво је једна од највећих претњи по јавно здравље 21. века, а то је доказ необуздане моћи ХГТ-а.
Животиње нису тако брзе. Прилагођавамо се новим изазовима на уобичајен спор и стабилан начин. Појединци са мутацијама које им најбоље одговарају животним изазовима вероватније ће преживети и пренети своје генетске дарове следећој генерацији. Временом, корисне мутације постају чешће, док штетне нестају. Ово је класична природна селекција - спор и стабилан процес који утиче на популацију, а не на појединце. Хорнети соколови и људи могу постепено акумулирати корисне мутације, али тај појединачни хорнет, или овај специфични сокол, или ти одређени људи не могу покупити за себе корисне гене.
Осим понекад, могу. Могли су да замене своје симбиотске микробе, тренутно набављајући нови пакет микробних гена. Они могу довести нове бактерије у контакт са онима у свом телу, тако да страни гени прелазе у њихов микробиом, имунујући њихове нативне микробе новим способностима. У ретким, али драматичним приликама, они могу интегрисати микробне гене у своје геноме.
Узбудљиви новинари понекад воле тврдити да ХГТ доводи у питање Дарвиново виђење еволуције, омогућавајући организмима да избегну тиранију вертикалног наследства. ("Дарвин није био у праву", прогласио је злогласну насловницу Новог научника - погрешно.) То није тачно. ХГТ додаје нову варијацију у геному животиња, али једном када ови скакајући гени стигну у своје нове домове, још увек су подвргнути доброј природној селекцији.
Штетни они умиру заједно са својим новим домаћинима, док ће се корисни пренети на следећу генерацију. Ово је једнако класично дарвински језик - ванилија у свом укусу и изузетна само у брзини. Партнерством са микробовима можемо убрзати спор и промишљен прилагођавање наше еволутивне музике њиховој живахној, живахној алегро.
**********
Дуж обала Јапана црвено-смеђа морска трава прилијева се за стијене препуне плиме. Ово је Порфира, познатија као нори, и пунила је јапанске стомаке више од 1300 година. У почетку га људи мељеју у јестиву пасту. Касније су га спљоштили у чаршаве које су обмотали око комада сушија. Оваква пракса се наставља и данас, а популарност Нори проширила се широм света. Ипак, има посебну везу са Јапаном. Дуго наслеђе потрошње норије у земљи оставило је своје људе посебно добро опремљеним за варење морског поврћа. Ми немамо ензима који би могли разградити алге, као ни већину бактерија у нашим цревима.
Али море је пуно боље опремљених микроба. Једна од њих, бактерија звана Зобеллиа галацтаниворанс, откривена је пре само деценију, али је јела морске алге много дуже. Слика Зобеллиа, пре више векова, живећи у обалним јапанским водама, седећи на комаду морске алге и пробављајући је. Изненада, његов свет је изкорењен. Рибар скупља морску траву и користи је за прављење нори пасте. Његова породица вуче ове бакице, и чинећи то, гутају Зобеллиа . Бактерија се налази у новом окружењу. Хладна слана вода замењена је желучаним соковима. Њезину уобичајену масу морских микроба замениле су чудне и непознате врсте. И док се стапа са тим егзотичним непознатим особама, она ради оно што бактерије обично раде када се сретну: дели своје гене.
Знамо да се то догодило зато што је Јан-Хендрицк Хехеманн открио један од Зобеллијиних гена у бактерији човека у цревима званој Бацтероидес плебеиус . Откриће је било тотални шок: шта је, наиме, морски ген радио у цревима човека који није имао места? Одговор укључује ХГТ. Зобеллиа није прилагођена животу у цревима, па кад се увукла у залогаје нори, није се задржала. Али током свог кратког мандата, лако је могао даровати неке од својих гена Б. плебеиус-у, укључујући и оне који граде ензиме који пробављају морске алге зване порфираназе.
Одједном је тај микроби цријева стекао способност разградње јединствених угљених хидрата који се налазе у нори, и могао би се наздравити овом ексклузивном извору енергије који његови вршњаци нису могли да користе. Хехеманн је открио да је пун гена чији најближи колеге постоје у морским микробовима, а не у другим врстама заснованим на цревима. Вишекратно позајмљивање гена од морских микроба постало је вешто у варењу морског поврћа.
Б. плебеиус није сам у крадји морских ензима. Јапанци једу норије тако дуго да су им микроби у цревима проливени дигестивним генима океанских врста. Ипак, мало је вероватно да се овакви трансфери и даље врше: Модерни кухари пеку и припремају норије, спаљујући све микробе у аутостопирању. Вечера прошлих векова успела је да такве микробе увози у црева једући ствари сирове.
Затим су својој деци пренели микробе из црева, који су сада натоварени генима порфираназе која пушта морске траве. Хехеманн је данас видео знакове истог наследства. Један од људи који је проучавао била је незрела девојчица која никада у животу није појела суху сушију. Па ипак, њене бактерије у цревима су имале ген порфираназе, баш као што је радила и њена мајка. Њени микроби су се претходно прилагодили за прождирање нори.
Хехеманн је своје откриће објавио 2010. године и то је једна од најупечатљивијих прича о микробиомима у околини. Само једући морску траву, јапанске трпезе вековима су резервисале групу пробавних гена на невероватном путовању од мора до копна. Гени су се кретали хоризонтално од морских микроба до црева, а затим вертикално од једног црева до другог. Њихова путовања су можда отишла још даље. У почетку су Хехеманни могли пронаћи гене за порфираназе само у јапанским микробиомима, а не у северноамеричким. То се сада промијенило: Неки Американци очито имају гене, чак и они који нису азијског поријекла.
Како се то догодило? Да ли је Б. плебеиус скочио из јапанских црева у америчка? Да ли су гени потикли од других морских микроба који се одлажу на разним намирницама? Велшани и Ирци дуго су користили морске алге Порфира за прављење јела које се зове лавер; да ли су могли да набаве порфираназе које су тада носили преко Атлантика? За сада нико не зна. Али образац „сугерише да се једном када ови гени погоде почетног домаћина, где год се то догоди, могу раштркати између појединаца“, каже Хехеманн.
Ово је сјајан пример адаптивне брзине коју ХГТ даје. Људи не требају да развијају ген који може разградити угљене хидрате у морским алгама; ако прогутамо довољно микроба који могу пробавити ове материје, све су шансе да ће наше сопствене бактерије „научити“ трик кроз ХГТ.
ХГТ зависи од близине, а наша тела инжењерирају близину огромним размерама окупљајући микробе у густе гужве. Каже се да су градови средишта иновације, јер концентришу људе на истом месту, омогућавајући идејама и информацијама да слободно тече. На исти начин, животињска тела су средишта генетске иновације, јер дозвољавају ДНК да слободније тече између нагомиланих маса микроба. Затворите очи и слике гена који се пробијају око вашег тела прелазе из једног микроба у други. Ми живимо на пијацама, где трговци бактеријама размењују своје генетске производе.
***********
Животињска тела су дом толико микроба да повремено њихови гени упадају у наше геноме. А понекад ови гени обнављају своје нове домаћине невероватним способностима.
Буба буђи кафе боровница је штеточина која је у свој геном уградила бактеријски ген, који омогућава њеним ларвама да пробаве бујне банкете од угљених хидрата унутар зрна кафе. Ниједан други инсект - чак ни врло блиски рођаци - нема исти ген или нешто слично; само бактерије раде. Скоком у древни буђи кафе, ген је омогућио да се овај безобразни буба прошири по регионима који узгајају кафу широм света и да постане краљевски бол у еспрессу.
Фармери, тада, имају разлога да се мрзе ХГТ-а, али и разлоге да га прославе. За једну групу осе, бракониди, пренесени гени омогућили су бизаран облик сузбијања штеточина. Женке ових осе полажу јаја у још живе гусјенице, које потом њихова млада прождире живо. Да би пружили руку, женке убризгавају гусјенице вирусима који сузбијају њихов имуни систем. Називају се браковивирусима и нису само савезници оса: Они су део оса. Њихови гени су постали потпуно интегрисани у браконидни геном и под његовом су контролом.
Браковивируси су припитомљени вируси! Они су у потпуности зависни од оса за њихово размножавање. Неки би могли рећи да нису истински вируси; они су готово као излучевине оса тела, а не ентитети сами по себи. Сигурно су потекли од древног вируса, чији су се гени ударили у ДНК предаконског браконида и тамо остали. Овим спајањем настало је преко 20.000 врста браконидних оса, од којих све има браковивирусе у својим геномима - огромну династију паразита која користи симбиотске вирусе као биолошко оружје.
Остале животиње користиле су се хоризонтално пренети гени да би се одбранили од паразита. Напокон, бактерије су крајњи извор антибиотика. Они су били у рату једни с другима милијарде година и измислили су обиман арсенал генетског оружја за пребијање својих ривала. Једна породица гена, позната као тае, ствара протеине који пробијају рупе у спољним зидовима бактерија, изазивајући фатално цурење. То су развили микроби за употребу против других микроба. Али ови гени су нашли свој пут и до животиња. Шкорпиони, гриње и крпељи их имају. И морске анемоне, остриге, водене буве, лимпе, морски пужеви, па чак и ланцелет - врло блиски сродник окосних животиња попут нас.
Породица тае показује врсту гена који се веома лако шири путем ХГТ-а. Они су сами себи довољни и не требају им помоћни гени других гена да би обављали свој посао. Такође су универзално корисни, јер праве антибиотике. Свако живо биће се мора борити са бактеријама, тако да ће сваки ген који свом власнику омогућава ефикаснију контролу бактерија наћи корисно запослење током цијелог стабла живота. Ако успе да скочи, има добре шансе да се етаблира као продуктивни део свог новог домаћина. Ови скокови још су импресивнији јер се ми људи, свом интелигенцијом и технологијом, трудимо у стварању нових антибиотика. Толико смо заглушени да деценијама нисмо открили нове врсте. Али једноставне животиње попут крпеља и морских анемона могу направити своје, одмах постижући оно што нам треба много круга истраживања и развоја - све кроз хоризонтални пренос гена.
Ове приче приказују ХГТ као адитивну снагу која инфузија и микроба и животиња има чудесне нове моћи. Али такође може бити одузета. Исти поступак који корисним микробним способностима даје животињске примаоце може да микробе саме осуше и пропадају, све до тренутка када потпуно нестају и остаје им само генетско наслеђе.
Створење које најбоље илуструје овај феномен може се наћи у пластеницима и пољима широм света, на велику жалост пољопривредника и баштована. То је цитрусна брашна: мали инсект који усисава сок и који личи на пахуљицу перути која се шета или на дрвеће који је умочен у брашно. Паул Буцхнер, тај супер марљиви учењак симбионата, посетио је клан трбушних бубица током своје турнеје светом инсеката. На никога не изненађује, пронашао је бактерије у својим ћелијама. Али, што је још необичније, описао је и "округле или дугуљасте слузаве кугле у које су симбионти густо уграђени". Ови глобуси су у несвјесности пропадали деценијама до 2001. године, када су научници сазнали да нису само куће за бактерије. То су биле саме бактерије.
Цитрусна брашна је жива матриосхка лутка. Има бактерија које живе унутар његових ћелија, а те бактерије имају више бактерија које живе унутар њих. Грешке унутар грешака унутар грешака. Већи се сада зове Тремблаиа по Ерменегилду Тремблаиу, италијанском ентомологу који је студирао код Буцхнера. Мањи се зове Моранелла по грозници Нанци Моран. ("Нека врста патетичне ситнице која се зове по теби", рекла ми је уз осмех.)
Јохн МцЦутцхеон је разрадио порекло ове чудне хијерархије - и готово је невероватан у њеним завојима. Почиње са Тремблаиа, првом од две бактерије која је колонизовала брашно. Постао је стални становник и, попут многих симбионата инсеката, изгубио је гене који су били важни за постојање слободног живота. У угодним оквирима свог новог домаћина, могао би си приуштити да се прође са лежернијим геномом. Када се Моранелла придружила овој двосмерној симбиози, Тремблаиа је могла да приушти да изгуби још више гена, уз сигурност да ће нови долазак покупити заостатак. Овде се ХГТ више односи на евакуацију бактеријских гена с брода који пуца. Чува гене који би се иначе изгубили због неизоставног распада који погађа симбионтске геноме.
На пример, сва три партнера сарађују у стварању хранљивих састојака. Да би створили аминокиселину фенилаланин, потребно им је девет ензима. Тремблаиа може да изгради 1, 2, 5, 6, 7 и 8; Моранела може да чини 3, 4 и 5; а сама брашнаста буба чини 9. Ни брашнаста буба нити две бактерије не могу сами да праве фенилаланин; они зависе једни од других да би попунили празнине у својим репертоарима. Ово ме подсећа на Граеае грчке митологије: три сестре које имају једно око и један зуб између њих. Било шта више било би сувишно: Њихов распоред, иако чудан, ипак омогућава да се виде и жвачу. Тако је и са брашнастом бубом и њеним симбионтима. Завршили су с једном метаболичком мрежом, распоређеном између њихова три комплементарна генома. У аритметици симбиозе један плус један плус један може бити једнак.
*********
Свет око нас је гигантски резервоар потенцијалних микробиолошких партнера. Свака уста могла би унијети нове микробе који пробављају нераскидиви дио наших оброка или детоксикацију отрова у претходно нејестивој храни или који убију паразита који је претходно потиснуо наше бројеве. Сваки нови партнер могао би помоћи свом домаћину да поједе мало, путује мало даље, преживи мало дуже.
Већина животиња не може намерно да се укључи у ове отворене адаптације. Морају се ослонити на срећу да ће их пружити с правим партнерима. Али ми људи нисмо толико ограничени. Ми смо иноватори, планери и они који решавају проблеме. И имамо једну огромну предност коју недостају свим другим животињама: Ми знамо да микроби постоје! Осмислили смо инструменте који их могу видети.
Ми их намерно можемо узгајати. Имамо алате који могу да дешифрују правила која регулишу њихово постојање и природу њиховог партнерства са нама. А то нам даје снагу да намерно манипулирамо тим партнерствима. Неисправне заједнице микроба можемо заменити новим који ће довести до бољег здравља. Можемо створити нове симбиозе које се боре против болести. И можемо разбити вјековне савезе који нам пријете животу.
Из наредне књиге САДРЖАМ МУЛТИТУДЕ: Микроби у нама и величанственији приказ живота Ед Ионга. Цопиригхт © 2016 би Ед Ионг. Еццо ће објавити 9. августа, отисак ХарперЦоллинс Публисхерс. Поновно штампано уз дозволу .
