Când te-ai născut, ai moștenit jumătate din gene de la mama ta și jumătate de la tatăl tău. Asta e multul tău. Acele bucăți de ADN moștenite vor rămâne cu tine toată viața, fără alte adăugări sau omisiuni. Nu poți avea niciuna dintre genele mele și nu pot să-ți achiziționez niciuna din tine.
Continut Asemanator
- Tu ești ceea ce mănânci și ceea ce mănânci este milioane de microbi
- Dragonii captivi Komodo Își împărtășesc microbiomul strălucitor cu mediul lor, la fel ca noi
Însă imaginați-vă o lume diferită în care prietenii și colegii pot schimba gene după bunul plac. Dacă șeful tău are o genă care o face rezistentă la diverse virusuri, o poți împrumuta. Dacă copilul dvs. are o genă care îl pune în pericol de boală, o puteți schimba pentru versiunea dvs. mai sănătoasă. Dacă rudele îndepărtate au o genă care le permite să digere mai bine anumite alimente, este a ta. În această lume, genele nu sunt doar moșteniri care trebuie transmise pe verticală de la o generație la alta, ci mărfuri care trebuie tranzacționate orizontal, de la un individ la altul.
Aceasta este exact lumea în care trăiesc bacteriile. Ele pot schimba ADN-ul la fel de ușor, pe cât am putea schimba numere de telefon, bani sau idei. Uneori, se descurcă unul pe celălalt, creează o legătură fizică și transferă bucăți de ADN: echivalentul lor de sex. De asemenea, pot scruta bucăți de ADN aruncate în mediul lor, lăsate de vecinii morți și în descompunere. Ele se pot baza chiar și pe viruși pentru a muta genele de la o celulă la alta. ADN-ul curge atât de liber între ele, încât genomul unei bacterii tipice este marmorat cu gene care au sosit de la colegii săi. Chiar și tulpinile strâns legate pot avea diferențe genetice substanțiale.
Bacteriile efectuează aceste transferuri de gene orizontale, sau HGT pe scurt, timp de miliarde de ani. Dar abia în anii 1920, oamenii de știință au realizat pentru prima dată ce se întâmplă. Ei au observat că tulpinile inofensive de Pneumococcus ar putea începe brusc să provoace boala după amestecarea cu resturile de mortale și pulpate ale tulpinilor infecțioase. Ceva din extracte le schimbase. În 1943, un „revoluționar liniștit” și microbiolog pe nume Oswald Avery a arătat că acest material transformator era ADN-ul, pe care tulpinile neinfecțioase le-au absorbit și integrat în propriile lor genomuri. Patru ani mai târziu, un tânăr genetician pe nume Joshua Lederberg (care avea să popularizeze ulterior cuvântul „microbiom”) a arătat că bacteriile pot schimba ADN mai direct.
Conțin multitudini: microbii din noi și o viziune mai mare a vieții
A cumparaȘaizeci de ani, știm că HGT este unul dintre cele mai profunde aspecte ale vieții bacteriene. Permite bacteriilor să evolueze cu viteze de bășici. Atunci când se confruntă cu noi provocări, nu trebuie să aștepte ca mutațiile potrivite să se adune încet în ADN-ul lor existent. Ele pot împrumuta doar adaptări cu ridicata, prin preluarea genelor de la participanții care s-au adaptat deja la provocările la îndemână. Aceste gene includ adesea seturi de mese pentru descompunerea surselor de energie neexploatate, scuturi care protejează împotriva antibioticelor sau arsenalelor pentru infecția gazdelor noi. Dacă o bacterie inovatoare evoluează unul dintre aceste instrumente genetice, vecinii săi pot obține rapid aceleași trăsături. Acest proces poate schimba instantaneu microbii de la rezidenții intestinali inofensivi în monștri care provoacă boli, de la Jekylls pașnici în Hydes sinistre.
De asemenea, pot transforma agenți patogeni vulnerabili care sunt ușor de ucis în „superbuguri” de coșmar care elimină chiar și medicamentele noastre cele mai puternice. Răspândirea acestor bacterii rezistente la antibiotice este, fără îndoială, una dintre cele mai mari amenințări pentru sănătatea publică din secolul XXI și este o dovadă a puterii nestrămutate a HGT.
Animalele nu sunt atât de rapide. Ne adaptăm la noile provocări în mod obișnuit lent și constant. Persoanele cu mutații care le lasă cele mai potrivite provocărilor vieții au mai multe șanse să supraviețuiască și să transmită darurile lor genetice generației următoare. În timp, mutațiile utile devin mai frecvente, în timp ce cele dăunătoare se estompează. Aceasta este selecția naturală clasică - un proces lent și constant, care afectează populațiile, nu și indivizii. Falcii Hornet, și oamenii ar putea acumula treptat mutații benefice, dar acel cornet individual, sau acest șoim specific, sau acei oameni anumiți nu pot alege gene benefice pentru ei înșiși.
Cu excepția uneori, ei pot. Și-ar putea schimba microbii simbiotici, achiziționând instantaneu un nou pachet de gene microbiene. Ele pot aduce noi bacterii în contact cu cele din corpul lor, astfel încât genele străine să migreze în microbiomul lor, imbuind microbii nativi cu noi abilități. În ocazii rare, dar dramatice, pot integra genele microbiene în propriile lor genomuri.
Jurnaliștii excitați doresc uneori să afirme că HGT contestă punctul de vedere al evoluției lui Darwin, permițând organismelor să scape de tirania moștenirii verticale. („Darwin a greșit”, a proclamat o infamă copertă a New Scientist - în mod greșit.) Acest lucru nu este adevărat. HGT adaugă noi variații în genomul unui animal, dar odată ce aceste gene săritoare ajung în noile lor case, ele sunt încă supuse unei bune selecții naturale.
Cele dăunătoare mor împreună cu noile lor gazde, în timp ce cele benefice sunt transmise generației următoare. Acest lucru este la fel de clasic darwinian ca acesta - vanilie în aroma sa și excepțională doar în viteza sa. Facând parteneriat cu microbii, putem să adâncim adagio-ul lent și intenționat al muzicii noastre evolutive la alegro-ul lor vioi și viu.
**********
De-a lungul coastelor Japoniei, o alge maro-roșiatică se agață de rocile măturate de maree. Acesta este Porphyra, mai cunoscut sub numele de nori, și a umplut stomacul japonez de peste 1.300 de ani. La început, oamenii l-au tăiat într-o pastă comestibilă. Mai târziu, au aplatizat-o în foi, pe care le-au înfășurat în jurul morcovilor de sushi. Această practică continuă astăzi și popularitatea nori s-a răspândit în toată lumea. Cu toate acestea, are o legătură specială cu Japonia. Moștenirea îndelungată a țării de consum de nori și-a lăsat oamenii deosebit de bine dotați pentru a digera legumele de mare. Nu avem enzime care să poată descompun algele și nici cea mai mare parte a bacteriilor din intestinul nostru.
Dar marea este plină de microbi mai bine echipate. Unul dintre acestea, o bacterie numită Zobellia galactanivorans, a fost descoperită în urmă cu doar un deceniu, dar a mâncat alge marine de mai mult timp. Poza Zobellia, cu secole în urmă, trăia în apele japoneze de coastă, stând pe o bucată de alge marine și o digera. Deodată, lumea ei este dezrădăcinată. Un pescar colectează alge marine și îl folosește pentru a face pasta nori. Familia lui lupă pe acești morți și, făcând acest lucru, înghite Zobellia . Bacteria se regăsește într-un mediu nou. Apa rece cu sare a fost înlocuită cu sucurile gastrice. Coteria sa obișnuită de microbi marini a fost înlocuită cu specii ciudate și necunoscute. Și cum se amestecă cu acești necunoscuți exotici, face ceea ce bacteriile fac de obicei atunci când se întâlnesc: Își împarte genele.
Știm că acest lucru s-a întâmplat pentru că Jan-Hendrick Hehemann a descoperit una dintre genele Zobelliei într-o bacterie a intestinului uman numită Bacteroides plebeius . Descoperirea a fost un șoc total: ce facea o genă marină în intestinul unui om care aterizat? Răspunsul implică HGT. Zobellia nu este adaptată vieții în intestin, așa că atunci când a intrat pe morcovi de nori, nu s-a lipit. Însă în timpul scurtului său mandat, ar fi putut cu ușurință să doneze unele dintre genele sale lui B. plebeius, inclusiv celor care construiesc enzime care digereau alge marine numite porfiraaze.
Dintr-o dată, acel microb intestinal a dobândit capacitatea de a descompune carbohidrații unici găsiți în nori și ar putea să se prindă de această sursă exclusivă de energie pe care colegii săi nu i-ar putea folosi. Hehemann a descoperit că este plin de gene ale căror omologi cei mai apropiați există în microbii marini, mai degrabă decât în alte specii pe bază de intestin. Împrumutând în mod repetat gene de la microbii de mare, a devenit adept al digerării legumelor de mare.
B. plebeius nu este singur în enzimele marine hoț. Japonezii mănâncă nori de atâta vreme încât microbii lor intestinali sunt pipăi cu gene digestive din speciile oceanice. Este puțin probabil ca astfel de transferuri să se desfășoare totuși: bucătarii moderni prăjesc și gătesc nori, incinerand orice microbi care fac autostopul. Cinații din secolele trecute nu au reușit decât să importe astfel de microbi în intestinele lor, mâncând materiile prime.
Și-au trecut apoi microbii de intestin, încărcați acum cu gene de porfirază pline de alge, copiilor lor. Hehemann a văzut astăzi semne ale aceleiași moșteniri. Una dintre persoanele pe care le-a studiat a fost o fetiță neînsuflețită, care nu a mâncat niciodată o gură de sushi în viața ei. Și totuși, bacteriile intestinului ei aveau o genă de porfirază, la fel cum a făcut-o mama ei. Microbii ei au venit pre-adaptați pentru a devora nori.
Hehemann și-a publicat descoperirea în 2010 și rămâne una dintre cele mai izbitoare povești de microbiome din jur. Doar mâncând alge marine, meserii japonezi din secole trecute au rezervat un grup de gene digestive într-o călătorie incredibilă de la mare la uscat. Genele s-au deplasat orizontal de la microbii marini la cei intestinali, apoi pe verticală de la un intestin la altul. Este posibil ca călătoriile lor să fi mers și mai departe. La început, Hehemann a putut găsi doar genele pentru porfiraze în microbiomurile japoneze și nu în cele din America de Nord. Asta s-a schimbat acum: unii americani au în mod clar genele, chiar și cele care nu au origini asiatice.
Cum s-a întâmplat asta? B. Plebeius a sărit de la guta japoneză în cele americane? Genele proveneau de la alți microbi marini care se îndepărtau la bordul diferitelor alimente? Galezii și irlandezii au folosit mult timp algele Porphyra pentru a face un fel de mâncare numit laver; ar fi putut dobândi porfiraaze pe care le-au transportat apoi peste Atlantic? Deocamdată, nimeni nu știe. Dar modelul „sugerează că, odată ce aceste gene ajung la gazda inițială, oriunde se întâmplă, acestea se pot dispersa între indivizi”, spune Hehemann.
Acesta este un exemplu glorios al vitezei adaptive pe care HGT o conferă. Oamenii nu trebuie să evolueze o genă care poate descompune carbohidrații din alge marine; dacă înghițim destui microbi care pot digera aceste substanțe, există toate șansele ca bacteriile noastre să „învețe” trucul prin HGT.
HGT depinde de proximitate, iar corpurile noastre ingineră proximitatea pe o scară uriașă prin adunarea microbilor în mulțimi dense. Se spune că orașele sunt hub-uri ale inovației, deoarece concentrează oamenii în același loc, permițând ideilor și informațiilor să curgă mai liber. În același mod, corpurile animale sunt hub-uri ale inovației genetice, deoarece permit ADN-ului să curgă mai liber între masele de microbi înrădăcinate. Închideți ochii și imagini genți de gene care își croiesc drum în jurul corpului, trecute de la un microb la altul. Suntem piețe pline de viață, unde comercianții de bacterii își schimbă produsele genetice.
***********
Corpurile animalelor sunt acasă la atâția microbi, încât, ocazional, genele lor își fac loc în genomul nostru. Și uneori, aceste gene își oferă noile gazde cu abilități incredibile.
Gândacul de boabe de cafea este un dăunător care a încorporat o genă bacteriană în propriul genom, care permite larvelor sale să digere banchetele luxuriante de carbohidrați din boabele de cafea. Nicio altă insectă - nici măcar rude foarte apropiate - nu are aceeași genă sau ceva asemănător; numai bacteriile o fac. Sărind într-un străvechi cafea, gena a permis ca acest gândac nepătrunzător să se răspândească în regiunile cultivatoare de cafea din întreaga lume și să devină o durere regală în espresso.
Apoi, fermierii au motive să distrugă HGT - dar și motive să-l sărbătorească. Pentru un grup de viespe, braconidele, genele transferate au permis o formă bizară de combatere a dăunătorilor. Femelele acestor viespe își depun ouăle în omizi încă vie, pe care tinerele lor le devorează în viață. Pentru a da mâna gruburilor, femelele injectează și omizi cu viruși, care le reprimă sistemul imunitar. Acestea se numesc bracovirusuri și nu sunt doar aliați ai viespilor: fac parte din viespi. Genele lor au devenit complet integrate în genomul braconid și sunt sub controlul său.
Bracovirusurile sunt virusuri domesticite! Depind în totalitate de viespile pentru reproducerea lor. Unii ar putea spune că nu sunt adevărați viruși; sunt aproape ca secreții ale corpului viespii, mai degrabă decât entități la propriu. Ei trebuie să fi descins dintr-un virus antic, ale cărui gene s-au aruncat în ADN-ul unui braconid ancestral și au rămas acolo. Această fuziune a dat naștere la peste 20.000 de specii de viespi braconide, toate având bracovirusuri în genomul lor - o imensă dinastie de paraziți care folosește viruși simbiotici ca arme biologice.
Alte animale au folosit gene transferate orizontal pentru a se apăra de paraziți. Bacteriile, până la urmă, sunt sursa finală de antibiotice. Au fost în război unul cu celălalt de miliarde de ani și au inventat un arsenal extins de arme genetice pentru a-și bate rivalii. O familie de gene, cunoscută sub numele de tae, creează proteine care pun găuri în pereții exteriori ale bacteriilor, provocând scurgeri fatale. Acestea au fost dezvoltate de microbi pentru a fi utilizate împotriva altor microbi. Dar aceste gene și-au găsit drum și în animale. Scorpionii, acarienii și căpușele le au. La fel și anemonele marine, stridele, puricii de apă, lăcustele, balafele de mare și chiar lanțul - o rudă foarte apropiată a animalelor din spate ca noi.
Familia tae exemplifică genul de gene care se răspândesc foarte ușor prin HGT. Sunt autosuficienți și nu au nevoie de o distribuție de susținere a altor gene pentru a-și face treaba. De asemenea, sunt utili universal, deoarece fac antibiotice. Fiecare lucru viu trebuie să lupte cu bacteriile, astfel încât orice genă care să permită proprietarului său să controleze mai eficient bacteriile va găsi un loc de muncă profitabil în tot pomul vieții. Dacă poate sări, are șanse mari să se stabilească ca parte productivă a noii sale gazde. Aceste salturi sunt cu atât mai impresionante, deoarece noi, oamenii, cu toată inteligența și tehnologia noastră, luptăm pozitiv pentru a crea noi antibiotice. Suntem atât de înflăcărați, încât nu am descoperit niciun tip nou de zeci de ani. Însă animalele simple, cum ar fi căpușele și anemonele marine, își pot face singuri, realizând instantaneu ceea ce avem nevoie de multe runde de cercetare și dezvoltare de făcut - toate prin transfer de gene orizontal.
Aceste povești înfățișează HGT ca o forță aditivă, care infuză atât microbii cât și animalele cu noi puteri minunate. Dar poate fi și subtractiv. Același proces care oferă abilităților microbiene utile beneficiarilor de animale poate face ca microbii să se înfășoare și să se descompună, până la dispariția completă și rămân doar moștenirile lor genetice.
Creatura care exemplifică cel mai bine acest fenomen poate fi găsită în sere și câmpuri din întreaga lume, în mare măsură pârâul fermierilor și grădinarilor. Este mâncarea de citrice: o mică insectă care sugă șopârle, care arată ca un fulg de mătreață sau o căpățână care a fost praf în făină. Paul Buchner, acel savant super-muncitor al simbionților, a făcut o vizită clanului de la foodybug în turneul său din lumea insectelor. Spre surprinderea nimănui, el a găsit bacterii în interiorul celulelor lor. Dar, mai neobișnuit, el a mai descris '' globule mucilaginoase rotunde sau lungi în care simbolismele sunt înglobate grozav ''. Aceste globule au pătruns în obscuritate zeci de ani până în 2001, când oamenii de știință au aflat că nu erau doar case pentru bacterii. Erau ele însele bacterii.
Burta de citrice este o păpușă matryoshka vie. Are bacterii care trăiesc în interiorul celulelor sale, iar acele bacterii au mai multe bacterii care trăiesc în interiorul lor. Bug-uri în bug-uri în bug-uri. Cel mai mare este acum numit Tremblaya după Ermenegildo Tremblay, un entomolog italian care a studiat sub Buchner. Cea mai mică se numește Moranella după afine-wrangler Nancy Moran. („Este un fel de mic lucru patetic care să poarte numele tău”, mi-a spus ea cu un rânjet).
John McCutcheon a elaborat originile acestei ierarhii ciudate - și este aproape de necredincios în privința ei. Începe cu Tremblaya, prima dintre cele două bacterii care colonizează mâncărurile de masă. A devenit un rezident permanent și, la fel ca mulți simbolioniști ai insectelor, a pierdut gene care erau importante pentru o existență liberă. În limitele confortabile ale noii sale gazde, și-ar putea permite să se descurce cu un genom mai eficient. Când Moranella s-a alăturat acestei simbioze bidirecționale, Tremblaya și- ar putea permite să piardă și mai multe gene, în siguranța că noua sosire ar ridica slăbiciunea. Aici, HGT este mai mult despre evacuarea genelor bacteriene dintr-o navă de capsulare. Păstrează gene care, altfel, s-ar pierde în urma degradării inevitabile care afectează genomii simboliont.
De exemplu, toți cei trei parteneri cooperează pentru a produce substanțe nutritive. Pentru a crea aminoacidul fenilalanină, au nevoie de nouă enzime. Tremblaya poate construi 1, 2, 5, 6, 7 și 8; Moranella poate face 3, 4 și 5; iar mâncarea singură face a 9-a. Nici mălaiul și nici cele două bacterii nu pot face fenilalanină pe cont propriu; ei depind unul de celălalt pentru a umple golurile din repertoriile lor. Acest lucru îmi amintește de Graeae din mitologia greacă: cele trei surori care împart un ochi și un dinte între ele. Orice altceva ar fi redundant: aranjarea lor, deși ciudată, le permite totuși să vadă și să mestece. La fel este și cu foodybug-ul și simbolionii săi. Au ajuns cu o singură rețea metabolică, distribuită între cele trei genomuri complementare ale acestora. În aritmetica simbiozei, unu plus unu plus unu poate fi egal.
*********
Lumea din jurul nostru este un rezervor gigantic de potențiali parteneri microbieni. Fiecare gură ar putea aduce noi microbi care să digere o parte anterior neînfășurată din mesele noastre sau care detoxifie otrăvurile într-un aliment anterior necomestibil sau care omoară un parazit care anterior suprimase numărul nostru. Fiecare partener nou poate ajuta gazda sa să mănânce puțin, să călătorească puțin mai departe, să supraviețuiască ceva mai mult.
Majoritatea animalelor nu pot folosi în mod deliberat aceste adaptări ale surselor deschise. Ei trebuie să se bazeze pe noroc pentru a-i înzestra cu partenerii potriviți. Dar noi, oamenii, nu suntem atât de restricționați. Suntem inovatori, planificatori și soluționări de probleme. Și avem un avantaj uriaș că lipsesc toate celelalte animale: știm că există microbi! Am conceput instrumente care să le poată vedea.
Le putem crește în mod deliberat. Avem instrumente care pot descifra regulile care le guvernează existența și natura parteneriatelor lor cu noi. Și asta ne dă puterea de a manipula în mod intenționat acele parteneriate. Putem înlocui comunitățile de microbi falnici cu altele noi care vor duce la o sănătate mai bună. Putem crea noi simbioze care combate boala. Și putem rupe alianțele vechi care ne amenință viața.
Din viitoarea carte CONȚIN MULTITUDINI: Microbii din noi și o viziune mai mare a vieții de Ed Yong. Copyright © 2016 de Ed Yong. Va fi publicat pe 9 august de Ecco, o amprentă a editorilor HarperCollins. Reimprimat cu permisiunea .
