Když jste se narodili, zdědili jste polovinu genů od své matky a polovinu od svého otce. To je tvoje hodně. Ty zděděné kousky DNA zůstanou s vámi po celý váš život, bez dalších dodatků nebo opomenutí. Nemůžete mít žádný z mých genů a nemůžu získat žádný z vašich.
Související obsah
- Jste to, co jíte, a to, co jíte, jsou miliony mikrobů
- Zajatí Komodo draci sdílejí svůj ohromující mikrobiom se svým prostředím, stejně jako my
Ale představte si jiný svět, kde si přátelé a kolegové mohou libovolně vyměňovat geny. Pokud má váš šéf gen, díky kterému je odolná vůči různým virům, můžete si ho půjčit. Pokud má vaše dítě gen, který ho vystavuje riziku nemoci, můžete si ho vyměnit za zdravější verzi. Pokud mají vzdálení příbuzní gen, který jim umožňuje lépe trávit určité potraviny, je to vaše. V tomto světě nejsou geny jen dědictví, které má být předáno vertikálně z jedné generace na další, ale komodity, které mají být obchodovány horizontálně, z jednoho jednotlivce na druhého.
Právě v tomto světě žijí bakterie. Mohou si vyměňovat DNA tak snadno, jak si můžeme vyměňovat telefonní čísla, peníze nebo nápady. Někdy se navzájem ucpávají, vytvářejí fyzické spojení a prolétají kousky DNA napříč: jejich ekvivalent sexu. Mohou také hledat vyřazené kousky DNA ve svém prostředí, zanechané jejich mrtvými a chátrajícími sousedy. Mohou se dokonce spolehnout na viry, které přemisťují geny z jedné buňky do druhé. DNA mezi nimi natéká tak volně, že genom typické bakterie je mramorován geny, které přišly od svých vrstevníků. I blízce příbuzné kmeny mohou mít značné genetické rozdíly.
Bakterie provádějí tyto horizontální přenosy genů, nebo krátce HGT, po miliardy let. Ale až ve dvacátých letech si vědci poprvé uvědomili, co se děje. Všimli si, že neškodné kmeny pneumokoků se mohou náhle začít míchat s mrtvými a pulzovanými zbytky infekčních kmenů. Něco v extraktech je změnilo. V roce 1943 „tichý revolucionář“ a mikrobiolog jménem Oswald Avery ukázal, že tímto transformačním materiálem byla DNA, kterou neinfekční kmeny absorbovaly a integrovaly do svých vlastních genomů. O čtyři roky později mladý genetik jménem Joshua Lederberg (který by později popularizoval slovo „mikrobiom“) ukázal, že bakterie mohou obchodovat s DNA příměji.
I obsahovat zástupy: Mikroby uvnitř nás a Grander pohled na život
KoupitO šedesát let víme, že HGT je jedním z nejhlubších aspektů bakteriálního života. Umožňuje bakteriím vyvíjet se rychlostí puchýřů. Když čelí novým výzvám, nemusí čekat, až se správné mutace pomalu shromáždí v jejich existující DNA. Mohou si jen půjčit adaptace na velkoobchod, a to tak, že vyzvednou geny od kolemjdoucích, kteří se již přizpůsobili výzvám. Tyto geny často zahrnují jídelní soupravy pro odbourávání nevyužitých zdrojů energie, štíty, které chrání před antibiotiky nebo arzenály pro infikování nových hostitelů. Pokud se u jedné inovativní bakterie vyvine jeden z těchto genetických nástrojů, mohou její sousedé rychle získat stejné vlastnosti. Tento proces může okamžitě změnit mikroby z neškodných střevních obyvatel na monstra způsobující onemocnění, z pokojných Jekyllů na zlověstné Hydes.
Mohou také transformovat zranitelné patogeny, které lze snadno zabít, na noční můry „superbug“, které zbavují i naše nejsilnější léky. Šíření těchto bakterií rezistentních na antibiotika je nepochybně jednou z největších hrozeb pro veřejné zdraví 21. století a svědčí o nespoutané síle HGT.
Zvířata nejsou tak rychlá. Přizpůsobujeme se novým výzvám obvyklým pomalým a stabilním způsobem. Jednotlivci s mutacemi, které je nechají nejlépe vyhovovat životním výzvám, s větší pravděpodobností přežijí a předají své genetické dary další generaci. V průběhu času se užitečné mutace stávají běžnějšími, zatímco škodlivé mizí. Toto je klasický přirozený výběr - pomalý a stabilní proces, který ovlivňuje populace, nikoli jednotlivce. Hornets jestřábi a lidé by mohli postupně hromadit prospěšné mutace, ale ten jednotlivý sršeň, nebo tento konkrétní jestřáb, nebo ti konkrétní lidé si nemohou pro sebe sebrat prospěšné geny.
Až na to někdy mohou. Mohli vyměnit své symbiotické mikroby a okamžitě získat nový balíček mikrobiálních genů. Mohou přivést nové bakterie do kontaktu s těmi v jejich tělech, takže cizí geny migrují do jejich mikrobiomů, čímž své přirozené mikroby dodávají novým schopnostem. Ve vzácných, ale dramatických případech mohou integrovat mikrobiální geny do svých vlastních genomů.
Vzrušující novináři někdy rádi tvrdí, že HGT zpochybňuje Darwinův pohled na evoluci tím, že umožňuje organismům uniknout tyranii svislého dědictví. („Darwin se mýlil, “ prohlásil neslavný kryt nového vědce - nesprávně.) To není pravda. HGT přidává novou variabilitu do genomu zvířete, ale jakmile tyto geny skákání dorazí do svých nových domovů, jsou stále podrobeny dobrému přirozenému výběru.
Škodliví z nich umírají spolu se svými novými hostiteli, zatímco prospěšní jsou předáváni další generaci. To je stejně klasicky darwinovské, jak se dostane - vanilka ve své chuti a výjimečná pouze svou rychlostí. Partnerstvím s mikroby můžeme zrychlit pomalé a úmyslné adagio naší evoluční hudby na jejich svěží a živou allegro.
**********
Podél japonského pobřeží se červenohnědá mořská řasa drží na přílivových skalách. Toto je Porphyra, lépe známý jako nori, a naplnil japonské žaludky více než 1300 let. Nejprve ji lidé rozemelí na jedlou pastu. Později ho zploštili do prostěradel, které ovinuli kolem sousů sushi. Tato praxe pokračuje dodnes a popularita nori se rozšířila do celého světa. Přesto má zvláštní vazbu na Japonsko. Dlouhé dědictví konzumace nori v zemi způsobilo, že její obyvatelé byli dobře vybaveni k trávení mořské zeleniny. Nemáme žádné enzymy, které by mohly rozkládat řasy, ani většinu bakterií v našich vnitřnostech.
Ale moře je plné lépe vybavených mikrobů. Jedna z nich, bakterie zvaná Zobellia galactanivorans, byla objevena teprve před deseti lety, ale mořské řasy konzumovala mnohem déle. Picture Zobellia, před staletími, žijící v pobřežních japonských vodách, sedící na kousku mořských řas a tráví ji. Najednou je jeho svět vykořeněn. Rybář sbírá mořské řasy a používá je k výrobě nori pasty. Jeho rodina vlka sundávala tyto sousto, a tím spolkla Zobellii . Bakterie se nachází v novém prostředí. Chladná slaná voda byla nahrazena žaludečními šťávami. Jeho obvyklá zástava mořských mikrobů byla nahrazena podivnými a neznámými druhy. A jak se mísí s těmito exotickými cizinci, dělá to, co bakterie obvykle dělají, když se setkají: sdílí jeho geny.
Víme, že se to stalo, protože Jan-Hendrick Hehemann objevil v lidské střevní bakterii zvané Bacteroides plebeius jeden z genů Zobellie . Objev byl naprostým šokem: co na zemi dělal mořský gen ve střevě landlubbing člověka? Odpověď zahrnuje HGT. Zobellia není přizpůsobena životu ve střevech, takže když se vjížděla na sutě nori, nepřilepila se. Během svého krátkého funkčního období však mohl snadno darovat některé ze svých genů B. plebeius, včetně těch, které vytvářejí enzymy trávící mořské řasy zvané porfyranázy.
Náhle tento střevní mikrob získal schopnost rozebrat jedinečné uhlohydráty, které se nacházejí v nori, a mohl hodovat na tomto exkluzivním zdroji energie, který jeho vrstevníci nemohli použít. Hehemann zjistil, že je plný genů, jejichž nejbližší protějšky existují spíše v mořských mikrobech než v jiných druzích střev. Opakovaným půjčováním genů z mořských mikrobů se stal adeptem na trávení mořské zeleniny.
B. plebeius není sám v zlodějských mořských enzymech. Japonci jedli nori tak dlouho, že jejich střevní mikroby jsou pepřeny zažívacími geny z oceánských druhů. Je však nepravděpodobné, že tyto převody stále probíhají: Moderní kuchaři pečou a vaří nori, spálí jakékoli stopovací mikroby. V minulých stoletích se takové mikroby dokázaly importovat do jejich vnitřností jedením syrového materiálu.
Poté předali svým dětem své střevní mikroby, nyní nabité geny porfyranázy rozbíjejícími mořské řasy. Hehemann viděl známky stejného dědictví, které se děje dnes. Jedním z lidí, které studoval, byla nechtěná holčička, která ve svém životě nikdy nejedla ústa suši. A přesto měla její střevní bakterie porfyrranázový gen, stejně jako to udělala její matka. Její mikroby se přizpůsobily na pohlcení nori.
Hehemann publikoval svůj objev v roce 2010 a zůstává jedním z nejvýraznějších mikrobiomových příběhů v okolí. Japonské večeře před několika staletími rezervovaly skupinu stravovacích genů na neuvěřitelné cestě z moře na pevninu. Geny se pohybovaly horizontálně z mořských mikrobů na střevní a poté vertikálně z jednoho střeva na druhý. Jejich cesty mohly jít ještě dále. Zpočátku mohl Hehemann najít geny pro porfyranázy v japonských mikrobiomech, nikoli v severoamerických. To se nyní změnilo: Někteří Američané jasně mají geny, dokonce i ti, kteří nejsou z asijských předků.
Jak se to stalo? Skočil B. plebeius z japonských vnitřností do amerických? Pocházely geny z jiných mořských mikrobů, které ukládaly na palubu různých potravin? Velština a Irové už dlouho používají porfyrové mořské řasy k přípravě jídla zvaného laver; mohli získat porfyrranázy, které poté přenesli přes Atlantik? Prozatím nikdo neví. Vzorec „naznačuje, že jakmile tyto geny zasáhnou počátečního hostitele, kdekoli se to stane, mohou se mezi jednotlivci rozptýlit, “ říká Hehemann.
Toto je slavný příklad adaptivní rychlosti, kterou HGT propůjčuje. Lidé nepotřebují vyvinout gen, který dokáže rozložit uhlohydráty v mořských řasách; pokud spolkneme dostatek mikroorganismů, které tyto látky mohou strávit, existuje šance, že se naše vlastní bakterie „naučí“ trik prostřednictvím HGT.
HGT závisí na blízkosti a blízkost inženýra našeho těla ve velkém měřítku shromažďováním mikrobů do hustých davů. Říká se, že města jsou středisky inovací, protože soustřeďují lidi na stejném místě, což umožňuje svobodnější tok myšlenek a informací. Stejně tak jsou živočišná těla centrem genetické inovace, protože umožňují volnější tok DNA mezi shluknutými masami mikrobů. Zavřete oči a představte si, jak se kolem těla přelétávají geny, které přecházejí z jednoho mikrobu do druhého. Jsme rušní tržiště, kde si obchodníci s bakteriemi vyměňují své genetické zboží.
***********
Těla zvířat jsou domovem tolika mikrobů, které se občas jejich geny dostanou do našich genomů. A někdy tyto geny udělují svým novým hostitelům neuvěřitelné schopnosti.
Brouk z kávových bobulí je škůdce, který včlenil bakteriální gen do svého vlastního genomu, což umožňuje jeho larvám strávit bujné bankety uhlohydrátů v kávových zrnech. Žádný jiný hmyz - ani velmi blízcí příbuzní - nemá stejný gen nebo něco podobného; pouze bakterie. Tím, že skočil do prastarého kávovodu, gen umožnil, aby se tento nenápadný brouk rozšířil napříč pěstitelskými oblastmi po celém světě a stal se královskou bolestí v espressu.
Zemědělci tedy mají důvody, aby HGT nenáviděli - ale také důvody k oslavě. Pro jednu skupinu vos, mozkové buňky, přenesené geny umožnily bizarní formu ochrany proti škůdcům. Samice těchto vos kladou vejce do stále žijících housenek, které jejich mladí lidé živí. Aby dali grubům ruku, samice také vstříknou housenky viry, které potlačují jejich imunitní systém. Nazývají se bracoviry a nejsou to jen spojenci vos: Jsou součástí vos. Jejich geny se zcela integrovaly do mozkového genomu a jsou pod jeho kontrolou.
Bracoviry jsou domestikované viry! Pro reprodukci jsou zcela závislé na vosách. Někteří by mohli říci, že nejde o skutečné viry; jsou téměř jako sekrece těla vosy, ne jako entity samy o sobě. Museli pocházet ze starověkého viru, jehož geny pronikly do DNA předků braconidů a zůstaly tam. Tato fúze vedla k vzniku více než 20 000 druhů braconidových vos, z nichž všechny mají ve svých genomech bracoviry - obrovskou dynastii parazitů, která jako symbiotické zbraně používá symbiotické viry.
Jiná zvířata použila horizontálně přenesené geny k obraně před parazity. Bakterie jsou koneckonců konečným zdrojem antibiotik. Byli spolu ve válce po miliardy let a vymysleli rozsáhlý arzenál genetických zbraní, aby porazili své soupeře. Jedna rodina genů, známá jako tae, vytváří proteiny, které děrují díry ve vnějších stěnách bakterií a způsobují smrtelné úniky. Byly vyvinuty mikroby pro použití proti jiným mikrobům. Ale tyto geny si našly cestu i do zvířat. Štíři, roztoči a klíšťata je mají. Stejně jako mořské sasanky, ústřice, blechy, limpety, mořští slimáci a dokonce i lancelet - velmi blízký příbuzný páteří zvířat jako jsme my.
Rodina tae je příkladem druhu genů, které se velmi snadno šíří prostřednictvím HGT. Jsou soběstační a pro svoji práci nepotřebují podpůrné obsazení jiných genů. Jsou také univerzálně užitečné, protože vyrábějí antibiotika. Každá živá věc musí bojovat s bakteriemi, takže každý gen, který umožňuje jejímu majiteli účinněji ovládat bakterie, najde výdělečné zaměstnání po celý strom života. Pokud to může udělat skok, má to dobrou šanci se etablovat jako produktivní součást svého nového hostitele. Tyto skoky jsou o to působivější, že my lidé, se všemi našimi inteligencemi a technologiemi, se pozitivně snažíme vytvářet nová antibiotika. Jsme tak flummoxovaní, že jsme po celá desetiletí neobjevili žádné nové typy. Jednoduchá zvířata, jako jsou klíšťata a mořské sasanky, si však mohou vytvořit vlastní, okamžitě dosáhnout toho, co potřebujeme k provedení mnoha kol výzkumu a vývoje - to vše prostřednictvím horizontálního přenosu genů.
Tyto příběhy zobrazují HGT jako aditivní sílu, která propouští mikrobům i zvířatům úžasné nové síly. Ale může to být i odečtitelné. Stejný proces, který uděluje užitečným mikrobiálním schopnostem příjemcům zvířat, může vést k tomu, že se mikroby oschnou a rozpadnou se, až úplně zmizí a zůstanou pouze jejich genetické dědictví.
Stvoření, které nejlépe ilustruje tento jev, lze nalézt ve sklenících a polích po celém světě, což je do velké míry na úkor farmářů a zahrádkářů. Je to citrusový mealybug: malý hmyz sající mízu, který vypadá jako šupinatá lupina vloček nebo dřevoryt, který byl zasypán moukou. Paul Buchner, tento velmi pracovitý učenec symbiontů, navštívil mealybugský klan na své cestě po hmyzím světě. K žádnému překvapení nenalezl bakterie uvnitř jejich buněk. Ale více neobvykle, popsal také zaoblené nebo zdlouhavé slizovité globule, ve kterých jsou symbionty silně zapuštěny. Tyto kuličky mizely v temnotě po celá desetiletí až do roku 2001, kdy se vědci dozvěděli, že to nejsou jen domy pro bakterie. Byli sami bakteriemi.
Citrusový mealybug je živá panenka matryoshka. Ve svých buňkách žije bakterie a tyto bakterie v sobě žijí více bakterií. Chyby v rámci chyb v rámci chyb. Větší z nich se nyní nazývá Tremblaya po Ermenegildovi Tremblayovi, italském entomologovi, který studoval u Buchnera. Ten menší se jmenuje Moranella po mšicím wranglerovi Nancy Moranovi. („Je to druh žalostné maličkosti, která má být pojmenována po tobě, “ řekla mi s úsměvem.)
John McCutcheon vypracoval původ této podivné hierarchie - a je to téměř neuvěřitelné v jejích zvratech a obratech. Začíná Tremblayou, první ze dvou bakterií, které kolonizují mealybugy. Stal se trvalým obyvatelem a jako mnoho hmyzích symbiontů ztratil geny, které byly důležité pro existenci svobodného života. V útulném prostředí svého nového hostitele si mohl dovolit obejít se jednodušším genomem. Když se Moranella připojila k této obousměrné symbióze, mohla si Tremblaya dovolit ztratit ještě více genů, a to v jistotě, že nový příchod zvedne vůli. HGT je zde více o evakuaci bakteriálních genů z převrhující se lodi. Zachovává geny, které by jinak byly ztraceny v nevyhnutelném rozpadu, který postihuje symbiontové genomy.
Například všichni tři partneři spolupracují na výrobě živin. K vytvoření aminokyseliny fenylalaninu potřebují devět enzymů. Tremblaya může sestavit 1, 2, 5, 6, 7 a 8; Moranella dokáže vyrobit 3, 4 a 5; a samotný mealybug je devátý. Ani mealybug, ani dvě bakterie nemohou fenylalanin vyrobit samy; závisí na sobě, aby vyplnili mezery ve svých repertoárech. Připomíná mi to řeckou mytologii Graeae: tři sestry, které mezi sebou sdílejí jedno oko a jeden zub. Všechno další by bylo zbytečné: Jejich uspořádání, byť zvláštní, jim stále umožňuje vidět a žvýkat. Takže je to s mealybugem a jeho symbionty. Skončili s jedinou metabolickou sítí, rozdělenou mezi jejich tři komplementární genomy. V aritmetice symbiózy se jedna plus jedna plus jedna mohou rovnat jedné.
*********
Svět kolem nás je obrovským rezervoárem potenciálních mikrobiálních partnerů. Každé sousto by mohlo přinést nové mikroby, které tráví dříve nerozbitnou část našich jídel nebo které detoxikují jedy v dříve nepoživatelném jídle, nebo které zabíjejí parazity, které dříve potlačovaly naše čísla. Každý nový partner by mohl pomoci svému hostiteli jíst trochu víc, cestovat trochu dále, přežít trochu déle.
Většina zvířat se nemůže záměrně zapojit do těchto open-source adaptací. Musí se spoléhat na štěstí, aby jim dali ty správné partnery. Ale my lidé nejsme tak omezeni. Jsme inovátoři, plánovači a řešitelé problémů. A máme jednu obrovskou výhodu, kterou všechna ostatní zvířata postrádají: Víme, že mikroby existují! Vymysleli jsme nástroje, které je mohou vidět.
Můžeme je záměrně pěstovat. Máme nástroje, které mohou dešifrovat pravidla, kterými se řídí jejich existence, a povahu jejich partnerství s námi. A to nám dává pravomoc úmyslně manipulovat s těmito partnerstvími. Můžeme nahradit slabující komunity mikrobů novými, které povedou k lepšímu zdraví. Můžeme vytvořit nové symbiózy, které bojují s nemocemi. A můžeme rozbít věková aliance, která ohrožují naše životy.
Z připravované knihy OBSAHUJÍ MULTITUDY: Mikroby uvnitř nás a Granderův pohled na život od Ed Yong. Copyright © 2016 by Ed Yong. Vydává Ecco 9. srpna, otisk vydavatelů HarperCollins Publishers. Přetištěno se svolením .
