Amikor született, a génjeinek felét örökölted anyádtól, felét apádtól. Ez a te dolgod. Ezek az örökölt DNS-bitek egész életében veled maradnak, további kiegészítések vagy mulasztások nélkül. Nem lehet egyetlen gén sem, és a tiédét sem tudom megszerezni.
kapcsolodo tartalom
- Te vagy az, amit eszel, és amit eszel, millió mikrobának számít
- A fogva tartott Komodo sárkányok megosztják Teeming mikrobiómjukat a környezetükkel, csakúgy, mint mi
Képzelj el egy másik világot, ahol a barátok és a kollégák tetszés szerint cserélhetnek géneket. Ha főnökének olyan génje van, amely ellenállóvá teszi a különböző vírusokat, akkor kölcsön tudja venni azt. Ha gyermekének van egy olyan génje, amely a betegség kockázatát teszi ki, akkor kicserélheti az egészségesebb változatára. Ha a távoli rokonoknak van egy génje, amely lehetővé teszi számukra, hogy jobban emészthessenek bizonyos ételeket, akkor a tied. Ebben a világban a gének nem csupán örökségrészek, amelyeket vertikálisan kell átadni az egyik nemzedékről a másikra, hanem az áruk is, amelyeket vízszintesen, egyénről a másikra kell kereskedni.
Pontosan ebben a világban élnek a baktériumok. Olyan könnyen cserélhetnek DNS-t, mint telefonszámok, pénz vagy ötletek. Időnként összekapcsolódnak, fizikai kapcsolatot létesítenek, és a DNS-bitek átváltják egymással: a nemük egyenértékűek. Kialakíthatják a környezetükben elhagyott DNS-biteket is, amelyeket halott és romló szomszédaik hagytak el. Még a vírusokra is támaszkodhatnak, hogy a géneket egyik sejtből a másikba mozgatják. A DNS annyira szabadon áramlik közöttük, hogy egy tipikus baktérium genomját már a már társaikból érkező gének márványozzák. Még a szorosan rokon törzsekben is lehetnek genetikai különbségek.
A baktériumok milliárd éven keresztül végezték ezeket a vízszintes génátvitelt, vagy rövid ideje a HGT-t. A tudósok azonban csak az 1920-as években tudták először, hogy mi történik. Megfigyelték, hogy a Pneumococcus ártalmatlan törzsei hirtelen betegséget okozhatnak, miután összekeveredtek a fertőző törzsek halott és pépesített maradványaival. Valami a kivonatokban megváltoztatta őket. 1943-ban egy „csendes forradalmár” és Oswald Avery nevű mikrobiológus kimutatta, hogy ez az átalakító anyag DNS, amelyet a nem fertőző törzsek felszívtak és integráltak saját genomjukba. Négy évvel később, Joshua Lederberg nevű fiatal genetikus (aki később népszerűsítené a „mikrobióma” szót) megmutatta, hogy a baktériumok közvetlenebben kereskedhetnek a DNS-sel.
Sokaságot tartalmazok: a bennünk lévő mikrobák és az élet teljesebb látképe
megveszHatvan évvel később tudjuk, hogy a HGT a baktériumok életének egyik legmélyebb aspektusa. Ez lehetővé teszi a baktériumok hólyagos sebességgel történő fejlődését. Amikor új kihívásokkal szembesülnek, nem kell megvárniuk a megfelelő mutációk lassan felhalmozódását a meglévő DNS-ben. Csak nagykereskedelemben kölcsönözhetnek adaptációkat azáltal, hogy megszerezik a géneket olyan személlyel rendelkező személyektől, akik már alkalmazkodtak a jelenlegi kihívásokhoz. Ezek a gének gyakran tartalmaznak kihasználatlan energiaforrások lebontására szolgáló étkezőkészleteket, antibiotikumokkal szemben védő pajzsokat vagy új gazdaszervezetek fertőzésére szolgáló arzenálokat. Ha egy innovatív baktérium kifejleszti ezen genetikai eszközök egyikét, akkor szomszédai gyorsan megszerezhetik ugyanazon tulajdonságokat. Ez a folyamat azonnal megváltoztathatja a mikrobákat ártalmatlan béllakókból betegséget okozó szörnyekké, békés Jekyllistől baljós Hydesré.
Könnyen megölhető, érzékeny kórokozókat átalakíthatnak rémálmi „superbugokká”, amelyek még a legerősebb gyógyszereinket is levonják. Ezen antibiotikum-rezisztens baktériumok elterjedése kétségtelenül a 21. század egyik legnagyobb közegészségügyi veszélye, és a HGT ellenőrizetlen erejét tanúsítja.
Az állatok nem olyan gyorsak. Az új kihívásokhoz szokásos lassan és folyamatosan alkalmazkodunk. Azok az egyének, akiknek mutációi lehetővé teszik, hogy az élet kihívásaihoz legjobban megfeleljenek, valószínűbb, hogy túlélik, és genetikai ajándékaikat továbbadják a következő generációnak. Az idő múlásával a hasznos mutációk egyre gyakoribbak, míg a káros mutációk elhalványulnak. Ez a klasszikus természetes szelekció - egy lassú és állandó folyamat, amely a populációkat érinti, nem pedig az egyéneket. A hornett sólymok és az emberek fokozatosan felhalmozhatják a hasznos mutációkat, de az egyes szarv vagy ez a speciális sólyom, vagy az adott ember nem képes maguknak felvenni a jótékony géneket.
Időnként kivéve, megtehetik. Cserélhetik egymással a szimbiotikus mikrobáikat, azonnal megszerezve egy új mikrobiális géncsomagot. Új baktériumokat hozhatnak érintkezésbe a testükben levő baktériumokkal, így idegen gének vándorolhatnak mikrobiómukba, új képességekkel ösztönözve natív mikrobáikat. Ritka, de drámai esetekben integrálhatják a mikrobiális géneket saját genomjukba.
Az izgalmas újságírók néha azt állítják, hogy a HGT vitatja Darwin evolúciós nézetét, lehetővé téve az organizmusok számára, hogy elkerüljék a vertikális örökség zsarnokságát. („Darwin tévedett” - jelentette ki hírhedt New Scientist borítóját - helytelenül.) Ez nem igaz. A HGT új variációkkal bővíti az állat genomját, de amint ezek az ugráló gének megérkeznek új otthonukba, továbbra is jó természetes természetes szelekciónak vannak kitéve.
A hátrányosak elhalnak az új gazdáikkal együtt, míg a jótékonyok átkerülnek a következő generációhoz. Ez ugyanolyan klasszikus darwini, amennyire csak kap - vanília ízében és kivételesen csak sebességében. A mikrobákkal való partneri kapcsolat révén meggyorsíthatjuk evolúciós zeneünk lassú, szándékos adagioját az övék élénk, élénk allegrójába.
**********
Japán partjainál egy vörösesbarna moszat ragaszkodik az árapály-söpört sziklákhoz. Ez a Porphyra, más néven nori, és több mint 1300 éve töltötte be a japán gyomrot. Az emberek először ehető pasztává őrölték. Később lemezekre simították, amelyeket szuszi morszákra tettek. Ez a gyakorlat ma is folytatódik, és a népszerűsége elterjedt az egész világon. Ennek ellenére különleges köteléke van Japánhoz. Az ország hosszú fogyasztási öröksége miatt az emberek különösen jól felszereltek a tengeri zöldségek emésztésére. Nincs olyan enzim, amely lebonthatja az algákat, és a legtöbb baktérium sem a bélben.
De a tenger tele van jobban felszerelt mikrobákkal. Az egyiket, a Zobellia galactanivorans nevű baktériumot csak egy évtizeddel ezelőtt fedezték fel, ám a tengeri moszatot sokkal hosszabb ideig eszik. Kép Zobellia évszázadok óta a japán tengerparti vizeken él, egy darab hínárral ülve és emésztve. Hirtelen világa felszámolódik. Egy halász összegyűjti a tengeri moszatot, és azt felhasználja paszta készítésére. Családja farkasa le ezeket a falakat, és ezzel cselekedve lenyelik Zobelliat . A baktérium új környezetben találja magát. A gyomornedvek helyett hideg sós vizet cseréltek ki. A szokásos tengeri mikrobák listáját furcsa és ismeretlen fajok váltották fel. És miközben keveredik ezekkel az egzotikus idegenekkel, azt teszi, amit a baktériumok általában tesznek, amikor találkoznak: Osztja meg a géneit.
Tudjuk, hogy ez azért történt, mert Jan-Hendrick Hehemann felfedezte a Zobellia egyik génjét a Bacteroides plebeius nevű emberi bélbaktériumban. A felfedezés teljes megrázkódtatás volt: mit csinált egy tengeri gén a földcsöves ember béljében? A válasz magában foglalja a HGT-t. A Zobellia nem alkalmazkodott a bélben való élethez, tehát amikor a nori falakon felrobbant, nem ragadt meg. Rövid ideje alatt azonban génjeinek egy részét könnyen adományozhatta a B. plebeius-nak, ideértve azokat is, amelyek a tengeri moszatot emésztõ enzimeket építik, amelyeket porphyranázoknak hívnak.
Hirtelen ez a bélmikróta megszerezte a képességét, hogy lebontja a nori-ban található egyedi szénhidrátokat, és élvezheti ezt az exkluzív energiaforrást, amelyet társai nem tudtak felhasználni. Hehemann azt találta, hogy tele van olyan génekkel, amelyek legközelebbi párja a tengeri mikrobákban létezik, nem pedig más bél alapú fajokban. A tengeri mikrobákból származó gének ismételt kölcsönzésével hozzáértővé vált a tengeri zöldségek emésztése során.
A B. plebeius nem egyedül a tengeri enzimek lopásában . A japánok olyan régen táplálkoztak, hogy a bélmikrobóikat az óceáni fajok emésztőgénjeivel megkóstolják. Valószínűtlen, hogy ezek a transzferek továbbra is zajlanak: A modern szakácsok sütnek és főznek a vágyakat, bármilyen stoppos mikrobát elégetve. A múlt századok büféjei csak akkor tudtak behozni ezeket a mikrobákat a bélbe, amikor nyers cuccot fogyasztottak.
Ezután átadták gyermekeiknek bélmikrobóikat, amelyeket most már hínár-eltávolító porfiránáz génekkel töltöttek be. Hehemann ugyanazon örökség jeleit látta napjainkban is. Az egyik tanulmányozott ember egy elválaszthatatlan kislány volt, aki életében soha nem evett egy falat sushit. És mégis, bél baktériumai porfiránáz gént tartalmaztak, éppúgy, mint anyja. Mikrobái előzetesen adaptáltak a norvák ízlelésére.
Hehemann 2010-ben tette közzé felfedezését, és ez továbbra is az egyik legszembetűnőbb mikrobióm történet. Csak a tengeri moszat eszésével a japán étkezõk évszázadok óta emésztõ gének egy csoportját foglaltak le egy hihetetlen tengeri útról a szárazföldre. A gének vízszintesen mozogtak a tengeri mikrobákról a bélre, majd függőlegesen az egyik bélről a másikra. Utazásuk még tovább ment. Kezdetben Hehemann csak a japán mikrobiómákban, és nem az észak-amerikai mikroorganizmusokban találta meg a porfiránázok géneit. Ez most megváltozott: Egyes amerikaiaknak nyilvánvalóan vannak géneik, még azoknak is, akik nem ázsiai származásúak.
Hogyan történt? Ugrott- e B. plebeius a japán bélből az amerikai? A gének más tengeri mikrobákból származtak, amelyek különböző élelmiszerek fedélzetén helyezkednek el? A walesi és az íriak már régóta használják a Porphyra tengeri moszatot, hogy lavernek nevezett ételt készítsenek; Megszerezhetik-e porfiránáikat, amelyeket azután átjutottak az Atlanti-óceánon? Egyelőre senki sem tudja. De a minta "azt sugallja, hogy ha ezek a gének elérik az eredeti gazdaszervezetet, bárhol is történik, elterjedhetnek az egyének között" - mondja Hehemann.
Ez a HGT által nyújtott adaptív sebesség dicsőséges példája. Az embereknek nem kell olyan gént kifejleszteniük, amely lebonthatja a tengeri moszat szénhidrátjait; Ha elegendő mikrobát nyelünk le, amely képes ezeket az anyagokat emésztni, akkor minden esélyünk van arra, hogy saját baktériumaink „megtanulják” a trükköt a HGT révén.
A HGT függ a közelségtől, és testünk hatalmas mértékben tervezi a közelséget azáltal, hogy a mikrobákat sűrű tömegbe gyűjti. Azt mondják, hogy a városok az innováció csomópontjai, mert ugyanabban a helyen koncentrálják az embereket, lehetővé téve az ötletek és információk szabadabb áramlását. Ugyanígy, az állati testek a genetikai innováció csomópontjai, mivel lehetővé teszik a DNS könnyebb áramlását a mikrobák összecsomódott tömegei között. Csukja be a szemét, és az egyik mikrobáról a másikra átjuttatja a testén végigfutó gének gömböket. Nagyon nyüzsgő piacokon vagyunk, ahol a baktériumkereskedők cserélik genetikai termékeiket.
***********
Az állati testek olyan sok mikrobának ad otthont, hogy génjeik alkalmanként bejutnak a genomunkba. És néha ezek a gének hihetetlen képességekkel adják új gazdasejtjeiket.
A kávébogyó fúróbogarak olyan kártevők, amelyek egy baktériumgént beépítettek saját genomjába, amely lehetővé teszi lárváinak, hogy megemésztsék a kávébabban lévő buja szénhidrát-banketteket. Egyik másik rovarnak - még a nagyon közeli rokonoknak sem is - nincs ugyanaz a génje vagy ilyesmi; csak baktériumok teszik. Az ősi kávéfúróbe való belépés révén a gén lehetővé tette, hogy ez a szükségtelen bogár elterjedjen a kávétermesztési régiókban az egész világon, és királyi fájdalommá váljon az eszpresszóban.
A mezőgazdasági termelőknek ezért van oka a HGT iránti félelmükre - és ugyanakkor oka is annak ünneplésére. A darazsak egyik csoportjában a braconids, az átvitt gének lehetővé tették a bizalmas kártevőirtást. Ezen darazsak nőstényei tojásaikat még élõ hernyókban tojják, melyeket kiskorúak akkor élnek fel. Annak érdekében, hogy a grubok odaadjanak, a nőstények a hernyókat vírusokkal is injektálják, amelyek elnyomják immunrendszerüket. Ezeket bracovírusoknak hívják, és nem csupán a darazsak szövetségesei: részei a darazsaknak. Gének teljesen integrálódtak a braconid genomba, és ellenőrzése alatt állnak.
A bracovírusok háziasított vírusok! Szaporodásuk során teljes mértékben függnek a darazoktól. Egyesek azt mondhatják, hogy nem minden vírus; szinte olyanok, mint a darázs testének szekretációi, nem pedig a saját jogaik. Bizonyos ősi vírusból származtak, amelynek génei bejutottak az ősi braconid DNS-be és ott maradtak. Ez az egyesülés több mint 20 000 braconid darazsafajhoz vezetett, amelyek genomjában bracovírusok találhatók - egy óriási parazita-dinasztia, amely szimbiotikus vírusokat használ biológiai fegyverként.
Más állatok vízszintesen átadott géneket használtak, hogy megvédjék magukat a parazitáktól. Végül is a baktériumok képezik az antibiotikumok végső forrását. Több milliárd évig háborúztak egymással, és kiterjedt genetikai fegyvereket találtak fel riválisaik verésére. Az egyik géncsalád, néven tae, olyan fehérjéket állít elő, amelyek lyukakat lyukasztanak el a baktériumok külső falán, végzetes szivárgást okozva. Ezeket a mikrobák fejlesztették ki más mikrobák elleni felhasználásra. De ezek a gének állatokba is megtalálják az utat. Skorpiók, atkák és kullancsok rendelkeznek velük. Ugyanúgy, mint a tengeri kökörcsin, osztriga, vízláb, limpek, tengeri meztelen csigák és még a lándzsa is - a csontos állatok nagyon közeli hozzátartozója, mint mi.
A tae család példája annak a génnek a fajtája, amely a HGT-en keresztül nagyon könnyen terjed. Ezek önellátók, és munkájuk elvégzéséhez nincs szükség más gének támogatására. Ezek szintén általánosan hasznosak, mivel antibiotikumokat készítenek. Minden élőlénynek meg kell küzdenie a baktériumokkal, így minden olyan gén, amely lehetővé teszi a tulajdonosának a baktériumok hatékonyabb ellenőrzése érdekében, jövedelemszerző foglalkoztatást fog elérni az egész életfában. Ha sikerül ugrani, nagy esélye van arra, hogy új gazdaszervezetének produktív részévé váljon. Ezek az ugrások annál is lenyűgözőbbek, mert mi emberek, minden intelligenciánkkal és technológiánkkal, pozitívan küzdenek új antibiotikumok létrehozása érdekében. Olyan flummoxedok vagyunk, hogy évtizedek óta nem fedeztünk fel új típusokat. De az egyszerű állatok, például a kullancsok és a tengeri kökörcsin elkészíthetik saját magukat, és azonnal elérhetik azt, amelyre sok kutatási és fejlesztési szakaszra van szükségünk - mindezt vízszintes génátadás révén.
Ezek a történetek a HGT-t egy additív erőként ábrázolják, amely csodálatos új képességekkel tölt be mind a mikrobákat, mind az állatokat. De kivonható is. Ugyanaz a folyamat, amely hasznos mikrobiális képességeket ad az állatok befogadóinak, maga a mikrobát is elronthatja és elbomlik, egészen addig, amíg teljesen el nem tűnik, és csak genetikai örökségük marad meg.
A lény, amely ezt a jelenséget legjobban szemlélteti, üvegházakban és mezőkben található meg az egész világon, a gazdálkodók és a kertészek nyomorúságához hasonlóan. Ez a citrusfélék étkezési bugja: egy kicsi, szoptató rovar, amely úgy néz ki, mint egy sétáló korpás pehely vagy egy lisztbe porolt fás szárú rovar. Paul Buchner, ez a szuper-szorgalmas szimbólumok tudósa meglátogatta az étkezési bogár klánját, a rovarvilág körüli turnéján. Senki sem meglepő, hogy baktériumokat talált a sejtjeikben. De szokatlanul szokásosabban leírta '' kerek vagy hosszú gömbös gömböket, amelyekbe a szimbólumok sűrűn bele vannak ágyazva ''. Ezek a földgömbök évszázadok óta homályban álltak az homályban, amikor a tudósok megtudták, hogy nemcsak a baktériumok számára vannak házak. Maguk is baktériumok voltak.
A citrusfélék étkezési élő matryoshka baba. A sejtekben baktériumok élnek, és azokban a baktériumokban több baktérium él. Hiba a hibán belül. A nagyobbat most Tremblaya- nak hívják, miután Ermenegildo Tremblay, egy olasz entomológus, aki Buchner alatt tanult. A kisebbet Moranella-nak hívják, levéltetű birkózó, Nancy Moran után. ("Ez egy szánalmas kis dolog, amit neked nevezhetünk el" - mondta vigyorogva.)
John McCutcheon kidolgozta e furcsa hierarchia eredetét - és fordulataiban ez szinte hihetetlen. Tremblayával kezdődik, az első a két baktérium közül, amely gyarmatosítja az étvágycsíkokat. Állandó lakossá vált, és mint sok rovar szimbólum, elvesztette azokat a géneket, amelyek fontosak voltak a szabad életben. Új gazdag házának hangulatos körülményei között megengedheti magának, hogy egy egyszerűbb genommal megbirkózzon. Amikor Moranella csatlakozott ehhez a kétirányú szimbiózishoz, Tremblaya megengedte magának, hogy még több gént elveszítsen, abban a biztosban, hogy az új érkezés felveszi a laza elemet. Itt a HGT inkább a baktériumgének evakuálásáról szól egy lezáró hajóról. Megőrzi azokat a géneket, amelyek egyébként elvesznének az elkerülhetetlen bomlásnak, amely a szimbiont genomokat sújtja.
Például mind a három partner együttműködik a tápanyagok előállításában. A fenilalanin aminosav létrehozásához kilenc enzimre van szükségük. Tremblaya építhet 1, 2, 5, 6, 7 és 8; Moranella készíthet 3, 4 és 5; és az étkezési bug önmagában teszi a 9. helyet. Sem az étkezési bug, sem a két baktérium önmagában nem készít fenilalanint; egymástól függnek, hogy kitöltsék a repertoár hiányosságait. Ez emlékeztet nekem a görög mitológia Graeae-jére: a három nővérre, akiknek egyik szeme és egy foga van közöttük. Bármi több felesleges lenne: Az elrendezésük, bár furcsa, mégis lehetővé teszi látásukat és rágásukat. Így van az étkészlettel és annak szimbólumaival. Egy anyagcsere-hálózattal végződtek, amely három komplementer genomja között oszlik meg. A szimbiózis aritmetikájában egy plusz egy plusz egy egyenlő lehet.
*********
A körülöttünk lévő világ egy potenciális mikrobiális partner óriási tározója. Minden falat új mikrobákat hozhat be, amelyek az étkezés korábban törhetetlen részét emésztik, vagy a korábban nem ehető ételek méregtelenítik, vagy elpusztítanak egy olyan parazitát, amely korábban elnyomta a számunkat. Minden új partner segíthet a házigazdának egy kicsit többet enni, egy kicsit tovább utazni, egy kicsit tovább élni.
A legtöbb állat nem szándékosan léphet be ezekbe a nyílt forráskódú adaptációkba. A szerencsére kell támaszkodniuk, ha megfelelő partnerrel bírják őket. De mi emberek nem vagyunk ilyen korlátozottak. Innovátorok, tervezők és problémamegoldók vagyunk. És van egy hatalmas előnyeünk, amely hiányzik minden más állattól: Tudjuk, hogy mikrobák léteznek! Olyan eszközöket dolgoztunk ki, amelyek képesek látni őket.
Szándékosan termeszthetjük őket. Van olyan eszközünk, amely meg tudja deríteni a létezésüket szabályozó szabályokat és a velünk való partnerség jellegét. És ez megadja a hatalmat arra, hogy szándékosan manipuláljuk ezeket a partnerségeket. Cserélhetjük a mikrobák zavaró közösségeit olyan új mikroorganizmusokkal, amelyek jobb egészséghez vezetnek. Új szimbiózist hozhatunk létre a betegség ellen. Megbonthatjuk az életét veszélyeztető régi szövetségeket.
A közelgő könyvből KÖVETKEZŐ MULTITUDÁK: A bennünk lévő mikrobák és Ed Yong életképesebb látképe. Szerzői jog © 2016 Ed Yong. Kiadja augusztus 9-én az Ecco, a HarperCollins Publishers lenyomata. Engedéllyel újból nyomtatva .
