Kad ste se rodili, pola majke ste naslijedili od majke, a pola od oca. To vam je puno. Ti naslijeđeni djelići DNA ostat će s vama cijeli život, bez dodatnih dodavanja i propusta. Ne možete imati nijedan moj gen, a ja ne mogu steći nijedan vaš.
Povezani sadržaj
- Ti si ono što jedeš, a ono što jedeš je milion mikroba
- Zarobljeni Komodo zmajevi dijele svoj skupi mikrobiom sa okolinom, baš kao i mi
Ali zamislite drugačiji svijet u kojem prijatelji i kolege mogu mijenjati gene po volji. Ako vaš šef ima gen koji je čini otpornom na razne viruse, možete ga posuditi. Ako vaše dijete ima gen koji ga dovodi u opasnost od bolesti, možete ga zamijeniti za svoju zdraviju verziju. Ako udaljeni rođaci imaju gen koji im omogućuje bolju probavu određene hrane, to je vaše. Na ovom svijetu geni nisu samo nasljedna imena koja se vertikalno prenose s jedne generacije na drugu, već su roba kojom se može trgovati horizontalno, s jedne jedinke na drugu.
To je upravo svijet u kojem žive bakterije. Oni mogu jednostavno razmjenjivati DNK kao i razmjena telefonskih brojeva, novca ili ideja. Ponekad se prikraju jedna drugoj, stvaraju fizičku vezu i prenose dijelove DNK-a: ekvivalent spola. Oni također mogu pretraživati odbačene dijelove DNK u svom okolišu, koje su ostavili njihovi mrtvi i propadajući susjedi. Oni se čak mogu osloniti na viruse za premještanje gena iz jedne stanice u drugu. DNK teče tako slobodno između njih da je genom tipične bakterije mramoriran genima koji su stigli od svojih vršnjaka. Čak i usko povezani sojevi mogu imati značajne genetske razlike.
Bakterije provode ove horizontalne prenošenja gena, ili kratkog HGT-a, tijekom milijardi godina. No tek su 1920-ih znanstvenici shvatili što se događa. Primijetili su da bezopasni sojevi Pneumococcusa mogu odjednom početi uzrokovati bolest nakon stopiranja sa mrtvim i pulpiranim ostacima infektivnih sojeva. Nešto u ekstraktima promijenilo ih je. 1943. godine "tihi revolucionar" i mikrobiolog po imenu Oswald Avery pokazao je da je ovaj transformativni materijal DNA, koju su neinfektivni sojevi apsorbirali i integrirali u svoje vlastite genome. Četiri godine kasnije, mladi genetičar po imenu Joshua Lederberg (koji će kasnije popularizirati riječ "mikrobiom") pokazao je da bakterije mogu izravno trgovati DNK.
Sadržim mnoštvo: mikrobi u nama i veličanstveniji pogled na život
KupitiŠezdeset godina kasnije, znamo da je HGT jedan od najdubljih aspekata života bakterija. Omogućuje da se bakterije razviju blistavim brzinama. Kad se suoče s novim izazovima, ne moraju čekati da prave mutacije polako objedine unutar svog postojećeg DNK. Oni mogu samo posuditi prilagodbe na veliko, pokupivši gene od prolaznika koji su se već prilagodili izazovima koji su pred njima. Ti geni često uključuju setove za rušenje neiskorištenih izvora energije, štitnike koji štite od antibiotika ili arsenala za zarazu novih domaćina. Ako inovativna bakterija razvije jedan od tih genetskih alata, njezini susjedi mogu brzo dobiti iste osobine. Ovaj proces može odmah pretvoriti mikrobe iz bezopasnih stanovnika crijeva u čudovišta koja uzrokuju bolest, iz mirnih Jekylls-a u zlobne Hydes.
Oni također mogu transformirati ranjive patogene koje je lako ubiti u noćne „superbabe“ koji razaraju čak i naše najmoćnije lijekove. Širenje ovih bakterija otpornih na antibiotike nesumnjivo je jedna od najvećih prijetnji za javno zdravlje 21. stoljeća, a svjedoči o nenadanoj moći HGT-a.
Životinje nisu tako brze. Prilagođavamo se novim izazovima na uobičajeni spor i odmjeren način. Pojedinci s mutacijama koje ih ostavljaju najprikladnijima za životne izazove vjerojatnije su preživjeti i prenijeti svoje genetske darove sljedećoj generaciji. S vremenom korisne mutacije postaju češće, dok štetne nestaju. Ovo je klasična prirodna selekcija - spor i stalan proces koji utječe na populaciju, a ne na pojedince. Horneti sokolovi i ljudi mogu postepeno akumulirati korisne mutacije, ali taj pojedinačni hornet, ili ovaj specifični sokol, ili ti određeni ljudi ne mogu pokupiti za sebe korisne gene.
Osim ponekad, mogu. Mogli su zamijeniti svoje simbiotske mikrobe, trenutno nabavljajući novi paket mikrobnih gena. Oni mogu dovesti nove bakterije u kontakt s onima u svom tijelu, tako da strani geni prelaze u njihov mikrobiom, imitirajući njihove nativne mikrobe novim sposobnostima. U rijetkim, ali dramatičnim prilikama, oni mogu integrirati mikrobne gene u vlastite genome.
Uzbudljivi novinari ponekad vole tvrditi da HGT dovodi u pitanje Darwinovo gledište evolucije, dopuštajući organizmima da pobjegnu od tiranije vertikalnog nasljeđivanja. ("Darwin nije bio u pravu", proglasio je zloglasnu naslovnicu Novog znanstvenika - pogrešno.) To nije istina. HGT dodaje novu varijaciju u genomu životinja, ali jednom kada ovi skakajući geni stignu u svoje nove domove, još uvijek su podvrgnuti dobroj prirodnoj selekciji.
Štetni umiru zajedno s njihovim novim domaćinima, a blagotvorni se prenose na sljedeće generacije. Ovo je jednako klasično darvinski jezik - vanilija u svom okusu i izuzetna samo u brzini. Partnerstvom s mikrobovima možemo ubrzati spor i promišljeni adapgio naše evolucijske glazbe uz njihovu brzu, živahnu alegro.
**********
Duž obala Japana crveno-smeđe morske alge priliježu se za stijene preplavljene plimom. Ovo je Porfira, poznatija kao nori, a punila je japanske stomake više od 1300 godina. U početku ga ljudi meljeju u jestivu pastu. Kasnije su ga spljoštili u plahte koje su omotali oko komada sušija. Ta se praksa nastavlja i danas, a popularnost Nori proširila se diljem svijeta. Ipak, ima posebnu vezu s Japanom. Dugo naslijeđe potrošnje nori u zemlji ostavilo je svoje ljude posebno dobro opremljenim za probavu morskog povrća. Mi nemamo enzime koji bi mogli razgraditi alge, kao ni većinu bakterija u našim crijevima.
Ali more je puno bolje opremljenih mikroba. Jedna od njih, bakterija zvana Zobellia galactanivorans, otkrivena je prije desetak godina, ali je jela morske alge mnogo duže. Slika Zobellia, stoljećima prije, koja živi u obalnim japanskim vodama, sjedi na komadu morske trave i probavlja je. Iznenada, njegov svijet je izkorijenjen. Ribar skuplja morske trave i koristi ih za izradu nori paste. Njegova obitelj vuče ove zalogaje, i čineći to, gutaju Zobelliju . Bakterija se nađe u novom okruženju. Hladna slana voda zamijenjena je želučanim sokovima. Uobičajene su vrste morskih mikroba zamijenjene čudnim i nepoznatim vrstama. I dok se stapa s tim egzotičnim strancima, ono što bakterije obično rade kad se sretnu: dijeli svoje gene.
Znamo da se to dogodilo zato što je Jan-Hendrick Hehemann otkrio jedan od Zobellijinih gena u bakteriji ljudskog crijeva zvanoj Bacteroides plebeius . Otkriće je bilo totalni šok: što je, na zemlji, morski gen radio u crijevima zemaljskog čovjeka? Odgovor uključuje HGT. Zobellia nije prilagođena životu u crijevima, pa kada se vozio u zalogajima nori, nije se zadržavao. No, za vrijeme svog kratkog mandata, lako je mogao darovati neke od svojih gena B. plebeiusu, uključujući i one koji grade enzime koji razgrađuju morske alge zvane porfiranaze.
Odjednom je taj mikrobi crijeva stekao sposobnost razgradnje jedinstvenih ugljikohidrata koji se nalaze u nori, i mogao se goziti ovim ekskluzivnim izvorom energije koji njegovi vršnjaci nisu mogli koristiti. Hehemann je otkrio da je pun gena čiji najbliži parovi postoje u morskim mikrobima, a ne u drugim vrstama koje se temelje na crijevima. Višekratno pozajmljujući gene morskih mikroba postao je vješt u probavi morskog povrća.
B. plebeius nije sam u kradji morskih enzima. Japanci jedu norije tako dugo da su im mikrobi u crijevima puni probavnih gena iz oceanskih vrsta. No, malo je vjerojatno da se takvi transferi i dalje odvijaju: Moderni kuhari peku i kuhaju norije, spaljujući sve mikrobe u autostopiranju. U stoljećima prošlim stoljećima takvi su mikrobi uspjeli uvesti u svoja crijeva jedući stvari sirove.
Potom su svojoj djeci prenijeli mikrobe iz crijeva, koji su sada napunjeni genima porfiranaze koja pušta morske trave. Hehemann je danas vidio znakove istog nasljedstva. Jedan od ljudi koji je proučavao bila je nezadovoljna djevojčica, koja u životu nikad nije pojela suhu sušu. Pa ipak, njezine su bakterije u crijevima imale gen porfiranaze, baš kao i njezina majka. Njezini su mikrobi bili unaprijed prilagođeni za proždiranje nori.
Hehemann je svoje otkriće objavio 2010. godine i to je još uvijek jedna od najupečatljivijih priča o mikrobiomima u okolini. Upravo jedući morsku travu, japanski jedući stoljećima prošli stoljeće rezervirali su skupinu probavnih gena na nevjerojatnom putovanju od mora do kopna. Geni su se kretali vodoravno od morskih mikroba do crijeva, a zatim vertikalno iz jednog u drugi. Njihova putovanja možda su otišla još dalje. Isprva je Hehemann mogao pronaći gene porfiranaze u japanskim mikrobiomima, a ne u sjevernoameričkim. To se sada promijenilo: Neki Amerikanci očito imaju gene, čak i oni koji nisu azijskog porijekla.
Kako se to dogodilo? Je li B. plebeius skočio iz japanskih crijeva u američki? Jesu li geni poticali od drugih morskih mikroba koji su odlagali različite hrane? Velšani i Irci dugo su koristili morske alge Porphyra za izradu jela koje se naziva laver; jesu li mogli steći porfiranaze koje su tada nosili preko Atlantika? Za sada to nitko ne zna. No, obrazac "sugerira da se, nakon što ovi geni pogode početnog domaćina, gdje god se to dogodi, mogu raspršiti između pojedinaca", kaže Hehemann.
Ovo je sjajan primjer prilagodljive brzine koju daje HGT. Ljudi ne trebaju razvijati gen koji može razgraditi ugljikohidrate u morskim algama; ako progutamo dovoljno mikroba koji mogu probaviti ove tvari, sve su šanse da će naše vlastite bakterije naučiti trik kroz HGT.
HGT ovisi o blizini, a naša tijela inženjeriraju blizinu u ogromnim razmjerima okupljajući mikrobe u guste gužve. Kaže se da su gradovi središta inovacije jer koncentriraju ljude na istom mjestu, omogućujući idejama i informacijama da slobodnije teče. Na isti način, životinjska tijela su središta genetske inovacije, jer omogućuju DNK da slobodnije teče između nagomilanih masa mikroba. Zatvorite oči i slikoviti uzorci gena koji se probijaju oko vašeg tijela i prelaze iz jednog mikroba u drugi. Žurimo na tržištima, gdje trgovci bakterijama razmjenjuju svoje genetske proizvode.
***********
Životinjska tijela su dom toliko mikroba da povremeno njihovi geni upadaju u naše genome. A ponekad ti geni daju svoje nove domaćine nevjerovatnim sposobnostima.
Buba buđi kafe borovnica je štetočina koja je ugradila bakterijski gen u svoj genom, koji omogućuje njegovim ličinkama da probave bujne bankete ugljikohidrata unutar zrna kave. Nijedan drugi insekt - čak ni vrlo bliski rođaci - nema isti gen ili nešto slično; to rade samo bakterije. Uskočivši u drevnu provrtač kave, gen je omogućio da se ovaj bezobrazni buba proširi po regijama koje uzgajaju kavu širom svijeta i da se pretvorio u kraljevsku bol u espressu.
Farmeri, dakle, imaju razloga negodovati HGT - ali i razloge da ga proslave. Za jednu skupinu osi, brakonidi, preneseni geni omogućili su bizaran oblik suzbijanja štetočina. Ženke ovih osi polažu jaja u još uvijek žive gusjenice, koje tada njihova mlada proždire živo. Da bi pružili ruku, ženke ubrizgavaju gusjenice virusima koji suzbijaju njihov imunološki sustav. Nazivaju se brakovivirusima i nisu samo saveznici osa: Oni su dio osi. Njihovi geni postali su potpuno integrirani u genom brakonida i pod njegovom su kontrolom.
Brakovivirusi su pripitomljeni virusi! Oni u potpunosti ovise o osi za njihovu reprodukciju. Neki bi mogli reći da nisu istinski virusi; oni su gotovo poput izlučevina osa, a ne kao subjekti sami po sebi. Sigurno su porijeklom od drevnog virusa, čiji su se geni uplivali u DNA pretkonskog brakonida i tamo ostali. Ovim spajanjem nastalo je preko 20 000 vrsta brakonidnih osa, od kojih sve ima brakoviviruse u svojim genomima - ogromnu dinastiju parazita koja koristi simbiotske viruse kao biološko oružje.
Ostale životinje koristile su se horizontalno prenesenim genima za obranu od parazita. Napokon, bakterije su krajnji izvor antibiotika. Bili su u ratu jedni s drugima milijarde godina i izmislili su opsežan arsenal genetskog oružja za prebijanje svojih rivala. Jedna obitelj gena, poznata kao tae, stvara bjelančevine koje probijaju rupe u vanjskim zidovima bakterija, uzrokujući fatalno curenje. To su razvili mikrobi za upotrebu protiv drugih mikroba. Ali ti su geni pronašli svoj put i u životinjama. Škorpioni, grinje i krpelji ih imaju. Kao i morske anemone, ostrige, vodene buhe, limpe, morski puževi, pa čak i lancelet - vrlo bliski srodnik okosnih životinja poput nas.
Obitelj tae primjer je vrste gena koji se vrlo lako šire putem HGT-a. Oni su sami sebi dovoljni i ne trebaju im pomoćni geni drugih gena da bi obavljali svoj posao. Oni su i univerzalno korisni, jer čine antibiotike. Svako se živo biće mora boriti s bakterijama, tako da će svaki gen koji omogućuje svom vlasniku učinkovitiji nadzor bakterija naći korisno zaposlenje na cijelom drvetu života. Ako uspije skočiti, ima dobre šanse da se etablira kao produktivni dio svog novog domaćina. Ovi skokovi sve su impresivniji jer se mi ljudi, svom inteligencijom i tehnologijom, trudimo stvarati nove antibiotike. Tako smo zamarani da desetljećima nismo otkrili nove vrste. Ali jednostavne životinje poput krpelja i morskih anemona mogu napraviti svoje, odmah postižući ono što trebamo napraviti mnogo krugova istraživanja i razvoja - i to sve horizontalnim prijenosom gena.
Ove priče prikazuju HGT kao aditivnu snagu koja infuzija i mikroba i životinja ima čudesne nove moći. Ali može biti i oduzimati. Isti postupak koji korisnim mikrobnim sposobnostima daje primatelje životinja može učiniti da mikrobi sami izumiru i propadaju do točke u kojoj potpuno nestaju i ostaje im samo genetska ostavština.
Stvorenje koje najbolje pokazuje ovaj fenomen može se naći u plastenicima i poljima širom svijeta, što je na žalost poljoprivrednika i vrtlara. To je citrusna brašna: mali insekt koji usisava sok i izgleda poput hodajuće pahuljice peruti ili drvene grmlje umočene u brašno. Paul Buchner, taj super marljivi učenjak simbionata, posjetio je klan trbušnog brada prilikom svoje turneje svijetom insekata. Na nikoga ne iznenađuje, pronašao je bakterije unutar njihovih stanica. Ali, što je još neobičnije, opisao je i "okrugle ili dugotrajne sluzave kugle u koje su simbionti gusto ugrađeni". Ti su globusi desetljećima propadali u nesvjesnosti, sve do 2001., kad su znanstvenici saznali da nisu samo kuće za bakterije. Bile su same bakterije.
Citrusna brašna je živa matryoshka lutka. Ima bakterija koje žive unutar njegovih stanica, a te bakterije imaju više bakterija koje žive unutar njih. Greške unutar grešaka unutar grešaka. Veći se sada zove Tremblaya po Ermenegildu Tremblayu, talijanskom entomologu koji je studirao kod Buchnera. Manji se zove Moranella po groznici Nancy Moran. ("Neka vrsta patetične sitnice koja se zove po tebi", rekla mi je uz osmijeh.)
John McCutcheon je razradio porijeklo ove čudne hijerarhije - i gotovo je nevjerojatno u njezinim zavojima. Sve započinje Tremblaya, prvom od dvije bakterije koja je kolonizirala brašna. Postao je stalni stanovnik i poput mnogih simbionata insekata izgubio je gene koji su bili važni za postojanje slobodnog života. U ugodnom okruženju svog novog domaćina, mogao bi si priuštiti da se prođe s opsežnijim genomom. Kad se Moranella pridružila ovoj dvosmjernoj simbiozi, Tremblaya je mogao priuštiti da izgubi još više gena, uz sigurnost da će novi dolazak pokupiti slabost. Ovdje, HGT se više bavi evakuacijom bakterijskih gena s broda koji puca. Čuva gene koji bi se inače izgubili u neizbježnom propadanju koje pogađa simbiontske genome.
Na primjer, sva tri partnera surađuju kako bi napravili hranjive tvari. Da bi stvorili aminokiselinu fenilalanin potrebno im je devet enzima. Tremblaya može graditi 1, 2, 5, 6, 7 i 8; Moranela može činiti 3, 4 i 5; a sam brašnasti bubreg čini 9. Ni jajovodi niti dvije bakterije ne mogu sami napraviti fenilalanin; oni ovise jedni o drugima kako bi popunili praznine u svojim repertoarima. Ovo me podsjeća na Graeae grčke mitologije: tri sestre koje imaju jedno oko i jedan zub između njih. Bilo što više bilo bi suvišno: Njihov raspored, iako neobično, ipak im omogućuje da vide i žvaču. Tako je i s obrokom i njegovim simbiontima. Završili su s jednom metaboličkom mrežom raspoređenom između njihova tri komplementarna genoma. U aritmetici simbioze jedan plus jedan plus jedan može biti jednak.
*********
Svijet oko nas je gigantski rezervoar potencijalnih partnera mikroba. Svaka usta mogla bi unijeti nove mikrobe koji probavljaju prethodno neraskidivi dio naših obroka ili koji detoksificiraju otrove u prethodno nejestivoj hrani ili koji ubijaju parazita koji je prethodno potisnuo naše brojeve. Svaki novi partner mogao bi pomoći svom domaćinu da pojede još malo, putuje malo dalje, preživi malo duže.
Većina životinja ne može namjerno iskoristiti ove otvorene prilagodbe. Moraju se osloniti na sreću da će ih obdariti s pravim partnerima. Ali mi ljudi nismo toliko ograničeni. Mi smo inovatori, planeri i rješavamo probleme. I imamo jednu ogromnu prednost koju nedostaju svim ostalim životinjama: Znamo da mikrobi postoje! Osmislili smo instrumente koji ih mogu vidjeti.
Namjerno ih možemo uzgajati. Imamo alate koji mogu dešifrirati pravila koja reguliraju njihovo postojanje i prirodu njihovog partnerstva s nama. A to nam daje snagu da namjerno manipuliramo tim partnerstvima. Neispravne zajednice mikroba možemo zamijeniti novim onima koji će dovesti do boljeg zdravlja. Možemo stvoriti nove simbioze koje se bore protiv bolesti. I možemo razbiti vječne saveze koji nam prijete životu.
Iz naredne knjige SADRŽAM VIŠE: Mikrobi u nama i pogled Granda Ed Yonga. Copyright © 2016 by Ed Yong. Ecco će objaviti 9. kolovoza, otisak HarperCollins Publishers. Ponovno ispisano dopuštenjem .
