Kui sündisid, pärisid pooled geenid emalt ja pooled isalt. See on sinu partii. Need päritud DNA bitid jäävad teile kogu oma elu, ilma täiendavate lisanduste ja väljajätmisteta. Teil ei saa olla ühtegi minu geeni ja ma ei saa ühtegi teie oma omandada.
Seotud sisu
- Sa oled see, mida sa sööd, ja see, mida sa sööd, on miljonid mikroobid
- Vangistuses olevad Komodo draakonid jagavad otsekui meie oma keskkonda oma Teemingi mikrobiome
Kuid kujutage ette teistsugust maailma, kus sõbrad ja kolleegid saavad soovi korral geene vahetada. Kui teie ülemusel on geen, mis muudab ta erinevate viiruste suhtes resistentseks, saate seda laenata. Kui teie lapsel on geen, mis seab teda haiguse ohtu, saate selle oma tervislikuma versiooni vastu välja vahetada. Kui kaugetel sugulastel on geen, mis võimaldab neil teatud toite paremini seedida, on see teie oma. Selles maailmas ei ole geenid üksnes pärilikud ruumid, mida tuleb vertikaalselt põlvest põlve edasi anda, vaid ka kaubad, millega kaubeldakse horisontaalselt, ühelt inimeselt teisele.
See on täpselt see maailm, milles bakterid elavad. Nad saavad DNA-d vahetada sama hõlpsalt kui telefoninumbrid, raha või ideed. Mõnikord liiguvad nad üksteise külge, loovad füüsilise sideme ja panevad DNA-sid edasi: nende soo ekvivalendiga. Nad võivad ka oma keskkonda visata DNA bitti, kuhu on jäänud surnud ja kõdunevad naabrid. Geenide liikumisel ühest rakust teise võivad nad tugineda isegi viirustele. DNA voolab nende vahel nii vabalt, et tüüpilise bakteri genoom on marmoritud tema eakaaslastelt saabunud geenidega. Isegi tihedalt seotud tüvedel võivad olla olulised geneetilised erinevused.
Bakterid on neid horisontaalseid geenisiirdeid ehk lühikese aja jooksul HGT-sid teinud juba miljardeid aastaid. Kuid alles 1920. aastatel mõistsid teadlased toimuvat esimest korda. Nad märkasid, et kahjutud Pneumococcus'e tüved võivad pärast nakatumistüvede surnud ja pulpitud jäänustega segunemist ootamatult haigusi põhjustada. Midagi väljavõtetes oli neid muutnud. 1943. aastal näitas „vaikne revolutsionäär” ja mikrobioloog nimega Oswald Avery, et see transformeeriv materjal oli DNA, mille mittenakkuslikud tüved olid absorbeerinud ja integreerinud omaenda genoomidesse. Neli aastat hiljem näitas noor geneetik nimega Joshua Lederberg (kes hiljem populariseeris sõna “mikrobiome”), et bakterid saavad DNA-ga vahetumalt kaubelda.
Mul on palju: mikroobid meie sees ja suurepärasem vaade elule
OstaKuuskümmend aastat hiljem teame, et HGT on bakterite elu üks sügavamaid aspekte. See võimaldab bakteritel areneda villide kiirusel. Uute väljakutsetega silmitsi seistes ei pea nad ootama, millal õiged mutatsioonid olemasolevasse DNA-sse aeglaselt kogunevad. Nad saavad lihtsalt kohanemisvõimalusi laenata hulgimüügist, korjates geene kõrvaltvaatajatelt, kes on juba praeguste väljakutsetega kohanenud. Need geenid sisaldavad sageli söögikomplekte kasutamata energiaallikate lagundamiseks, antibiootikumide eest kaitsvaid kilpe või uute peremeeste nakatamiseks mõeldud arsenali. Kui innovaatilisest bakterist areneb üks neist geneetilistest vahenditest, saavad tema naabrid kiiresti samu tunnuseid. See protsess võib muuta mikroobid kahjututest soolestiku elanikest koheselt haigusi põhjustavateks koletisteks, rahulikest Jekyllidest pahaks Hydesiks.
Samuti võivad nad muuta haavatavad patogeenid, mida on lihtne tappa, õudusunenägu superlugudeks, mis tõmbavad õlgu isegi meie kõige tugevamatest ravimitest. Nende antibiootikumiresistentsete bakterite levik on kahtlemata 21. sajandi suurim oht rahvatervisele ja see annab tunnistust HGT ohjeldamatust võimust.
Loomad pole nii kiired. Me kohaneme uute väljakutsetega tavaliselt aeglaselt ja ühtlaselt. Inimesed, kellel on mutatsioonid, mis võimaldavad neil kõige paremini väljakutsetega toime tulla, jäävad tõenäolisemalt ellu ja annavad oma geneetilised kingitused järgmisele põlvkonnale edasi. Aja jooksul muutuvad kasulikud mutatsioonid tavalisemaks, kahjulikud aga kaovad. See on klassikaline looduslik valik - aeglane ja ühtlane protsess, mis mõjutab elanikkonda, mitte üksikisikuid. Hornetid kullid ja inimesed võivad tasulisi mutatsioone järk-järgult kuhjuda, kuid üksikud sarved või see konkreetne kull ega need konkreetsed inimesed ei saa enda jaoks kasulikke geene korjata.
Välja arvatud mõnikord, saavad nad seda teha. Nad said vahetada oma sümbiootilised mikroobid, omandades koheselt uue pakendi mikroobseid geene. Nad võivad viia uued bakterid kontakti oma kehas leiduvate bakteritega, nii et võõrad geenid rändavad nende mikrobiomi, imiteerides nende võõrkeha mikroobidele uusi võimeid. Harvadel, kuid dramaatilistel puhkudel saavad nad integreerida mikroobide geenid omaenda genoomi.
Põnevatele ajakirjanikele meeldib mõnikord väita, et HGT vaidlustab Darwini vaate evolutsioonile, lubades organismidel pääseda vertikaalse pärandi türanniast. (“Darwin eksis, ” kuulutas kurikuulus New Scientisti kaanepilt - ekslikult.) See pole tõsi. HGT lisab looma genoomi uusi variatsioone, kuid kui need hüppegeenid nende uutesse kodudesse jõuavad, on nad endiselt loodusliku valiku all.
Kahjulikud surevad koos oma uute peremeestega, samas kui kasulikud antakse edasi järgmisele põlvkonnale. See on nii klassikaliselt darwinianlane, kui ta saab - vanilje oma maitses ja erandlik ainult kiiruse osas. Koostöös mikroobidega saame kiirendada oma evolutsioonimuusika aeglast, tahtlikku adagiod nende hoogsale ja elavale allegole.
**********
Jaapani rannikul kerkivad punakaspruunid merevetikad tõusulainetega. See on Porphyra, paremini tuntud kui nori, ja see on Jaapani kõhtu täitnud juba üle 1300 aasta. Alguses jahvatasid inimesed selle söödavaks pastaks. Hiljem lamendasid nad selle lehtedeks, millesse mähiti sushi morsid. See tava jätkub täna ja nori populaarsus on levinud üle kogu maailma. Sellegipoolest on sellel Jaapaniga eriline side. Riigi pikk tarbimispärimus on jätnud elanikud eriti hästi mere köögiviljade seedimiseks. Meil pole ühtegi ensüümi, mis vetikaid lagundada saaks, ega ka enamik meie soolestikus leiduvaid baktereid.
Kuid meri on paremini varustatud mikroobidega. Üks neist, bakter Zobellia galactanivorans, avastati alles kümmekond aastat tagasi, kuid on merevetikaid söönud palju kauem. Pilt Zobellia, sajandeid tagasi elanud Jaapani rannikuvetes, istudes tükil merevetikaid ja seedides seda. Ühtäkki on selle maailm juurtest väljas. Kalur kogub merevetikad ja kasutab seda nori pasta valmistamiseks. Tema perekond hundib need morsid maha ja seda tehes neelavad nad Zobellia . Bakter leiab end uuest keskkonnast. Maomahlad on asendatud jaheda soolase veega. Selle tavaline mere mikroobide koopia on asendatud imelike ja harjumatu liikidega. Ja eksootiliste võõrastega segunedes teeb ta seda, mida bakterid tavaliselt kohtumisel teevad: See jagab oma geene.
Me teame, et see juhtus seetõttu, et Jan-Hendrick Hehemann avastas inimese soolestikubakterist Bacteroides plebeius ühe Zobellia geenidest. Avastus oli täielik šokk: mida maa peal tegi meregeen maapinnast tuhiseva inimese soolestikus? Vastus hõlmab HGT-d. Zobellia ei ole soolestikus elamiseks kohandatud, nii et kui ta soovide morssidele sisse sõitis, ei kleepunud see ringi. Kuid lühikese ametiaja jooksul oleks ta võinud kergesti annetada mõned oma geenid B. plebeiusele, sealhulgas need, mis ehitavad merevetikaid seedivaid ensüüme, mida nimetatakse porfürananaasideks.
Ühtäkki sai see soolestiku mikroob võimaluse lagundada soovides leiduvaid unikaalseid süsivesikuid ja sai maitsta seda ainukest energiaallikat, mida tema eakaaslased ei suutnud kasutada. Hehemann leidis, et see on täis geene, mille lähimad kolleegid eksisteerivad pigem mere mikroobides kui teistes soolepõhistes liikides. Laenutades geene mere mikroobidest korduvalt, on see muutunud viljakaks köögiviljade seedimisel.
B. plebeius pole ainus mereensüümide varguses . Jaapanlased on tahtjaid söönud nii kaua, et nende soolestiku mikroobid on paprikatega ookeaniliste liikide seedegeenidega. On ebatõenäoline, et sellised üleviimised siiski jätkuvad: Kaasaegsed kokad röstivad ja küpsetavad nori, tuhastades kõik autostopumikroobid. Möödunud sajandite söögikohtadel suutsid sellised mikroobid oma sisikonda importida ainult tooreid asju süües.
Seejärel andsid nad oma lastele soolestiku mikroobid, mis olid nüüd laetud merevetikaid lõhustavate porfüranaasigeenidega. Hehemann nägi sama pärandi märke toimumas ka tänapäeval. Üks tema uuritud inimestest oli võõrutamata tütarlaps, kes polnud oma elus kunagi suutäit sushit söönud. Ja veel, tema soolestiku bakteritel oli porfüranaasigeen, täpselt nagu ema. Tema mikroobid olid eelnevalt kohandatud soovide söömiseks.
Hehemann avaldas oma avastuse 2010. aastal ja see on endiselt üks silmatorkavamaid mikrobiomi lugusid. Lihtsalt merevetikaid süües broneerisid sajanditepikkused jaapanlaste söögitubade rühmad seedegeene uskumatul merereisil. Geenid liikusid horisontaalselt mere mikroobidest soolestikeni ja seejärel vertikaalselt ühest soolestikust teise. Nende reisid võivad olla veelgi kaugemale jõudnud. Alguses võis Hehemann leida porfüranaaside geene ainult Jaapani mikrobiomides ja mitte Põhja-Ameerika mikroobides. See on nüüd muutunud: mõnel ameeriklasel on geenid selgelt olemas, isegi neil, kes pole Aasia päritolu.
Kuidas see juhtus? Kas B. plebeius hüppas Jaapani sisikonnast Ameerika omadesse ? Kas geenid pärinesid teistest mere mikroobidest, mis varitsesid erinevaid toite? Walesi ja iirlased on juba ammu kasutanud Porphyra merevetikaid rooga, mida nimetatakse laveriks; kas nad oleksid võinud omandada porfüranaase, mida nad siis üle Atlandi ookeani vedasid? Praegu keegi ei tea. Kuid muster "lubab oletada, et kui need geenid tabavad algset peremeesorganismi, võivad nad kõikjal indiviidide vahel hajuda, " ütleb Hehemann.
See on hiilgav näide kohanemiskiirusest, mille HGT annab. Inimestel pole vaja välja töötada geeni, mis võib merevetikates süsivesikuid lagundada; Kui neelame piisavalt mikroobe, mis neid aineid seedida suudavad, on kõik võimalused, et meie oma bakterid õpivad HGT kaudu triki.
HGT sõltub lähedusest ja meie keha insenerib lähedust tohutult, kogudes mikroobid tihedasse rahvahulka. Öeldakse, et linnad on innovatsiooni sõlmpunktid, kuna nad koondavad inimesed samasse kohta, võimaldades ideedel ja teabel vabamalt voolata. Samuti on loomakehad geneetilise innovatsiooni sõlmpunktid, kuna need võimaldavad DNA-l vabamalt voolata mikroobide segamini segatud masside vahel. Sulgege oma silmad ja ühelt mikroobilt teisele kanduvad ümber keha keerduvate geenide pildiketid. Oleme askeldamas turgudel, kus bakterikaupmehed vahetavad oma geneetilisi tooteid.
***********
Loomakehad on koduks nii paljudele mikroobidele, et aeg-ajalt satuvad nende geenid meie genoomidesse. Ja mõnikord kingivad need geenid oma uutele peremeestele uskumatute võimetega.
Kohvimarja puurimardikas on kahjur, mis on bakteri geeni integreerinud oma genoomi, mis võimaldab selle vastsetel seedida kohviubades lopsakaid süsivesikute bankette. Ühelgi teisel putukal - isegi mitte väga lähisugulastel - pole sama geeni või midagi taolist; ainult bakterid teevad. Muistsesse kohvipuurijasse hüpates võimaldas geen sellel vähenõudlikul mardikal levida üle kogu maailma kohvi kasvatavatesse piirkondadesse ja muutuda espressos kuninglikuks valu tekitajaks.
Põllumajandustootjatel on seega põhjust HGT-d ahistada, aga ka põhjuseid selle tähistamiseks. Ühe herilaste rühma puhul on brakoniidid, ülekantud geenid võimaldanud kahjuritõrje veidra vormi. Nende herilaste emasloomad munevad munad endiselt elavatesse röövikestesse, mille nende noored siis elusalt söövad. Grubidele käe andmiseks süstivad emased röövikud ka viirusi, mis pärsivad nende immuunsussüsteemi. Neid nimetatakse brakoviirusteks ja nad pole lihtsalt herilaste liitlased: nad on herilaste osa . Nende geenid on täielikult integreerunud brakonidi genoomi ja on selle kontrolli all.
Brakoviirused on kodustatud viirused! Nad sõltuvad paljunemisest täielikult herilastest. Mõni võib öelda, et nad pole sugugi tõesed viirused; nad on peaaegu nagu herilase keha eritised, mitte omaette olendid. Nad pidid põlvnema iidsest viirusest, mille geenid sattusid esivanemate brakonidi DNA-sse ja jäid sinna. Selle ühinemise tulemusel tekkis üle 20 000 liigi Braconid herilasi, mille kõigi genoomis on brakoviirused - tohutu parasiitide dünastia, mis kasutab bioloogiliste relvana sümbiootilisi viirusi.
Teised loomad on parasiitide eest kaitsmiseks kasutanud horisontaalselt ülekantud geene. Bakterid on ju antibiootikumide peamine allikas. Nad on üksteisega sõdinud miljardeid aastaid ja on leiutanud oma konkurentide peksmiseks ulatusliku geneetiliste relvade arsenali. Üks geeniperekond, mida tuntakse tae nime all, valmistab valke, mis augustavad bakterite välisseintesse auke, põhjustades surmavaid lekkeid. Need töötasid välja mikroobid kasutamiseks teiste mikroobide vastu. Kuid need geenid on leidnud tee ka loomadesse. Skorpionid, lestad ja puugid on neil olemas. Nii ka mereanemoonid, austrid, vesikirpud, limpsid, merihunnikud ja isegi lantsett - meiega sarnaste selgroogsete loomade väga lähedane sugulane.
Tae perekond on näide geenidest, mis levivad HGT kaudu väga hõlpsalt. Nad on isemajandavad ega vaja oma töö tegemiseks teiste geenide toetavaid näiteid. Need on ka universaalselt kasulikud, kuna neist valmistatakse antibiootikume. Iga elusolend peab võitlema bakteritega, nii et iga geen, mis võimaldab selle omanikul baktereid tõhusamalt kontrollida, leiab tasustatava töö kogu elupuu ulatuses. Kui see suudab hüppe teha, on tal hea võimalus asuda oma uue peremehe produktiivseks osaks. Need hüpped on veelgi muljetavaldavamad, sest meie, inimesed, kogu oma intelligentsuse ja tehnoloogiaga näeme vaeva uute antibiootikumide loomise nimel. Nii flummoxed oleme, et me pole aastakümnete jooksul ühtegi uut tüüpi avastanud. Kuid lihtsad loomad, nagu puugid ja mereanemoonid, saavad ise teha, saavutades koheselt selle, mida me vajame paljude teadus- ja arendustegevuse etappide jaoks - seda horisontaalse geeniülekande kaudu.
Need lood kujutavad HGT-d kui lisajõudu, mis infundeerib nii mikroobid kui ka loomad imeliste uute jõududega. Kuid see võib olla ka lahutav. Sama protsess, mis annab loomade retsipientidele kasulike mikroobide võime, võib panna mikroobid ise närbuma ja lagunema, kuni nad kaovad täielikult ja alles jäävad ainult nende geneetilised pärandid.
Seda nähtust kõige paremini iseloomustavat olendit võib leida kasvuhoonetes ja põldudel üle kogu maailma, palju põllumeeste ja aednike raevukuse pärast. See on tsitrusviljajahu: väike mahlast imev putukas, mis näeb välja nagu kõndiv kõõmahelbeke või jahu sisse puistatud puupüsti. See sümbiontide üliarmas teadlane Paul Buchner külastas oma putukamaailma ringreisi söögikoolide klanni. Kellegi üllatuseks leidis ta nende rakkudest baktereid. Kuid ebatavalisemalt kirjeldas ta ka '' ümaraid või pikki limalisi gloobusid, millesse sümbioodid on tihedalt sisse põimitud ''. Need gloobused varjusid varjamatult aastakümneid kuni 2001. aastani, kui teadlased said teada, et need ei olnud ainult bakterite hooned. Nad olid ise bakterid.
Tsitrusviljajahu on elav matrioška-nukk. Selle rakkudes elavad bakterid ja nendes bakterites on rohkem baktereid. Vigade sees olevad vead. Suuremat nimetatakse nüüd Tremblayaks pärast Buchneri käe all õppinud itaalia entomoloogi Ermenegildo Tremblay nime. Väiksemat kutsutakse lehetäide-kobraste Nancy Morani järgi Moranellaks. ("See on omamoodi haletsusväärne väike asi, mida teie eest nimetada, " ütles ta mulle irvega.)
John McCutcheon on selle veidra hierarhia alged välja töötanud - ja see on selle keerdkäikudes peaaegu uskumatu. See algab Tremblaya'ga, mis on esimene kahest bakterist, mis söögipulgad koloniseerib. Sellest sai alaline elanik ja nagu paljud putukate sümbiontid, kaotas see geenid, mis olid olulised vaba elamise jaoks. Uue peremehe hubastes piirides võis ta endale lubada sujuvama genoomi olemasolu. Kui Moranella selle kahesuunalise sümbioosiga ühines, võis Tremblaya endale lubada kaotada veelgi rohkem geene, olles kindel, et uus saabuja võtab lohakust. Siin käsitletakse HGT-s rohkem bakteriaalsete geenide evakueerimist peatuvalt laevalt. See säilitab geene, mis muidu kaotaksid vältimatu lagunemise, mis vaevab sümbionti genoome.
Näiteks teevad kõik kolm partnerit toitainete tootmiseks koostööd. Aminohappe fenüülalaniini loomiseks vajavad nad üheksa ensüümi. Tremblaya saab ehitada 1, 2, 5, 6, 7 ja 8; Moranella saab teha 3, 4 ja 5; ja ainuüksi söögibu teeb 9. koha. Ei söögibu ega ka kaks bakterit ei suuda fenüülalaniini üksi valmistada; nad sõltuvad üksteisest, et täita lünki oma repertuaaris. See tuletab mulle meelde Kreeka mütoloogia Graeae'i: kolm õde, kellel on üks silm ja hammas nende vahel. Kõik muu oleks üleliigne: nende paigutus, ehkki veider, võimaldab neil siiski näha ja närida. Nii on söögipulga ja selle sümbiontidega. Need lõppesid ühe metaboolse võrgustikuga, mis jaotati nende kolme komplementaarse genoomi vahel. Sümbioosi aritmeetikas võib üks pluss üks pluss üks võrduda ühega.
*********
Meie ümbritsev maailm on potentsiaalsete mikroobipartnerite hiiglaslik veehoidla. Iga suutäis võiks tuua juurde uusi mikroobe, mis seedivad meie söögikordadest varem purunematu osa või mis mürgitavad mürki varem söödavas toidus või tapavad parasiidi, kes on varem meie arvud alla surunud. Iga uus partner võib aidata oma peremehel pisut rohkem süüa, natuke kaugemale reisida, natuke kauem elada.
Enamik loomi ei saa neid avatud lähtekoodiga kohandusi tahtlikult kasutada. Õigete partneritega varustamiseks peavad nad lootma õnnele. Kuid meie, inimesed, pole nii piiratud. Oleme uuendajad, kavandajad ja probleemide lahendajad. Ja meil on üks tohutu eelis, mis kõigil teistel loomadel puudub: me teame, et mikroobid on olemas! Oleme välja töötanud instrumendid, mis neid näeksid.
Saame neid teadlikult kasvatada. Meil on tööriistad, mis võimaldavad dešifreerida nende olemasolu reguleerivaid reegleid ja meiega sõlmitud partnerluse olemust. Ja see annab meile võimu nende partnerlustega tahtlikult manipuleerida. Saame asendada mikroobide hävivad kooslused uutega, mis parandavad tervist. Saame luua uusi sümbioose, mis võitlevad haigustega. Ja me võime murda vanad liidud, mis ohustavad meie elu.
Peatselt ilmuvast raamatust SISALDAB MITMEKESISI: Mikroobid meie sees ja Ed Yongi suurem pilt elust. Autoriõigus © 2016, autor Ed Yong. Avaldab Ecco, 9. augustil HarperCollins Publishersi jäljend. Kordustrükk loal .
