Когато се родихте, наследихте половината си гени от майка си и половината от баща си. Това е твоят лот. Тези наследени битове на ДНК ще останат с вас през целия ви живот, без допълнителни добавки или пропуски. Не можеш да имаш нито един от моите гени, а аз не мога да придобия нито един от твоите.
Свързано съдържание
- Ти си това, което ядеш, а това, което ядеш, е милиони микроби
- Пленните комодо дракони споделят своята кипяща микробиома със средата си, точно като нас
Но си представете различен свят, в който приятели и колеги могат да сменят гени по желание. Ако вашият шеф има ген, който я прави устойчива на различни вируси, можете да го заемете. Ако детето ви има ген, който го излага на риск от заболяване, можете да го смените за по-здравословната си версия. Ако далечните роднини имат ген, който им позволява да усвояват по-добре определени храни, това е ваше. В този свят гените не са просто наследства, които трябва да се предават вертикално от едно поколение на следващо, но стоки, които се търгуват хоризонтално, от един индивид на друг.
Това е точно светът, в който живеят бактериите. Те могат да обменят ДНК толкова лесно, колкото можем да обменяме телефонни номера, пари или идеи. Понякога те се отдръпват една към друга, създават физическа връзка и совалки от ДНК в целия им еквивалент на пола. Те могат също така да открият изхвърлените парчета ДНК в средата си, оставени от мъртвите си и разпадащи се съседи. Те дори могат да разчитат на вируси за преместване на гени от една клетка в друга. ДНК протича толкова свободно между тях, че геномът на типичната бактерия е мрамориран с гени, пристигнали от неговите връстници. Дори тясно свързани щамове може да имат значителни генетични разлики.
Бактериите извършват тези хоризонтални трансфери на гени, или HGT за кратко, в продължение на милиарди години. Но едва през 20-те години учените за първи път осъзнават какво се случва. Те забелязали, че безобидните щамове на Пневмокок могат внезапно да започнат да причиняват заболяване след смесване с мъртвите и пулпирани останки от инфекциозни щамове. Нещо в извлеченията ги беше променило. През 1943 г. "тих революционер" и микробиолог на име Освалд Ейвъри показа, че този трансформативен материал е ДНК, която неинфекциозните щамове са абсорбирали и интегрирали в собствените си геноми. Четири години по-късно млад генетик на име Джошуа Ледерберг (който по-късно ще популяризира думата „микробиома“) показа, че бактериите могат да търгуват ДНК по-директно.
Съдържам множества: Микробите вътре в нас и по-голям поглед към живота
КупуваСлед шестдесет години ние знаем, че HGT е един от най-дълбоките аспекти на живота на бактериите. Той позволява на бактериите да се развиват с блистеращи скорости. Когато се сблъскат с нови предизвикателства, не им се налага да чакат правилните мутации бавно да се събират в рамките на съществуващата си ДНК. Те могат просто да вземат назаем адаптации на едро, като вземат гени от наблюдатели, които вече са се приспособили към предизвикателствата. Тези гени често включват комплекти за хранене за разграждане на неизползваните източници на енергия, щитове, които предпазват от антибиотици или арсенали за заразяване на нови гостоприемници. Ако иновативната бактерия развие един от тези генетични инструменти, съседите й бързо могат да получат същите черти. Този процес може незабавно да промени микробите от безобидните жители на червата в причиняващи болести чудовища, от мирни Джекили в зловещи Хайди.
Те могат също така да трансформират уязвимите патогени, които са лесни за убиване, в кошмарни „супербогове“, които свиват дори нашите най-мощни лекарства. Разпространението на тези резистентни на антибиотици бактерии несъмнено е една от най-големите заплахи за общественото здраве на 21-ви век и свидетелства за необузданата сила на HGT.
Животните не са толкова бързи. Ние се адаптираме към новите предизвикателства по обичайния бавен и постоянен начин. Хората с мутации, които ги оставят най-подходящи за житейските предизвикателства, е по-вероятно да оцелеят и да предадат своите генетични дарби на следващото поколение. С течение на времето полезните мутации стават все по-чести, докато вредните избледняват. Това е класически естествен подбор - бавен и постоянен процес, който засяга популациите, а не индивидите. Ястребите на стършелите и хората могат постепенно да натрупват полезни мутации, но този отделен стършел, или този специфичен ястреб, или тези конкретни хора не могат да вземат полезни гени за себе си.
С изключение на понякога, те могат. Те биха могли да разменят симбиотичните си микроби, незабавно придобивайки нов пакет от микробни гени. Те могат да докарат нови бактерии в контакт с тези в телата си, така че чужди гени да мигрират в микробиома им, като пренасят родните си микроби с нови способности. В редки, но драматични случаи те могат да интегрират микробни гени в собствените си геноми.
Изключителните журналисти понякога обичат да твърдят, че HGT оспорва виждането на Дарвин за еволюцията, като позволява на организмите да избягат от тиранията на вертикалното наследяване. ("Дарвин греши", обяви скандално покритие на New Scientist - погрешно.) Това не е вярно. HGT добавя нови вариации в генома на животни, но след като тези скачащи гени пристигнат в новите си домове, те все още са обект на добра естествена селекция.
Вредните умират заедно с новите си домакини, докато полезните се предават на следващото поколение. Това е също толкова класически дарвинист, колкото ванила - ванилия в аромата си и изключителна само в бързината си. Като си партнираме с микроби, можем да ускорим бавното, съзнателно адажиране на нашата еволюционна музика към живата, жива алегро на тяхната.
**********
По бреговете на Япония червено-кафяви морски водорасли се вкопчват в скали, преливащи приливи и отливи. Това е Порфира, по-известна като нори и тя изпълва японски стомаси за повече от 1300 години. Отначало хората го смилат в ядлива паста. По-късно го сплескаха на чаршафи, които увиха около суши. Тази практика продължава и днес и популярността на нори се е разпространила по целия свят. Все пак той има специална връзка с Япония. Дългото наследство от консумацията на нори в страната остави хората си особено добре оборудвани за усвояване на морския зеленчук. Нямаме ензими, които да разграждат водораслите, както и повечето от бактериите в червата ни.
Но морето е пълно с по-добре оборудвани микроби. Една от тях, бактерия, наречена Zobellia galactanivorans, е открита само преди десетилетие, но яде морски водорасли много по-дълго. Картина Зобелия преди векове, живееща в крайбрежните японски води, седнала на парче морски водорасли и я смила. Изведнъж светът му е изкоренен. Рибар събира морските водорасли и го използва за приготвяне на нори паста. Семейството му вълци сваля тези хапки и по този начин поглъщат Зобелия . Бактерията се оказва в нова среда. Прохладната солена вода е заместена от стомашни сокове. Обичайната му котерия от морски микроби е заменена от странни и непознати видове. И докато се смесва с тези екзотични непознати, тя прави това, което обикновено правят бактериите, когато се срещнат: Споделя гените си.
Знаем, че това се е случило, защото Ян-Хендрик Хехеман е открил един от гените на Зобелия в бактерията на червата на човека, наречена Bacteroides plebeius . Откритието беше тотален шок: какво, на земята, морски ген правеше в червата на земен човек? Отговорът включва HGT. Зобелията не е адаптирана към живота в червата, така че когато се вози на нори, не се придържа. Но по време на краткото си пребиваване той лесно би могъл да дари някои от гените си на B. plebeius, включително тези, които изграждат ензими за усвояване на морски водорасли, наречени порфиранази.
Внезапно този микроб на червата придоби способността да разгражда уникалните въглехидрати, открити в нори, и може да се почерпи с този изключителен източник на енергия, който неговите връстници не биха могли да използват. Hehemann откри, че е пълен с гени, чиито най-близки колеги съществуват в морските микроби, а не в други видове, базирани на червата. Чрез многократно заемане на гени от морски микроби, той е умел да усвоява морски зеленчуци.
B. plebeius не е сам в крадците на морските ензими. Японците ядат нори от толкова дълго време, че чревните им микроби са обсипани с храносмилателни гени от океански видове. Малко вероятно е все още да се извършват подобни трансфери: Съвременните готвачи пекат и готвят нори, изгаряйки всякакви микроби на автостоп. Вечерята от миналите векове успяваше само да импортира такива микроби в червата си, като ядеше сурови неща.
След това те предадоха своите микроби в червата, сега натоварени с гени на порфираназа, разрушаваща водорасли, на децата си. Хехман видя признаци на същото наследство и днес. Един от хората, които той изучаваше, беше неотслабено бебе, което никога през живота си не беше яла суши суши. И въпреки това, чревните й бактерии имат ген на порфираназа, точно както направи майка й. Микробите й бяха предварително пригодени за поглъщане на нори.
Hehemann публикува своето откритие през 2010 г. и то си остава една от най-ярките истории за микробиома наоколо. Само като ядат морски водорасли, японските ястия от векове назад резервираха група храносмилателни гени на невероятно пътешествие от море до суша. Гените се движеха хоризонтално от морски микроби към червата, а след това вертикално от едно в друго. Пътуванията им може би са отишли още повече. В началото Хехеман можеше да открие гените за порфиранази само в японските микробиоми, а не в северноамериканските. Това се е променило: Някои американци очевидно имат гените, дори и тези, които не са от азиатско потекло.
Как се случи това? B. plebeius скочи ли от японските черва в американски? Излязоха ли гените от други морски микроби, които се съхраняват на борда на различни храни? Уелският и ирландският отдавна използват морски водорасли Порфира, за да направят ястие, наречено лавер; можеха ли да се сдобият с порфиранази, които след това пренесоха през Атлантическия океан? Засега никой не знае. Но моделът "предполага, че след като тези гени ударят първоначалния гостоприемник, където и да се случи, те могат да се разпръснат между индивидите", казва Хехеман.
Това е великолепен пример за адаптивната скорост, която HGT предоставя. Хората не е необходимо да развиват ген, който може да разгради въглехидратите в морските водорасли; ако погълнем достатъчно микроби, които могат да усвояват тези вещества, има всички шансове нашите собствени бактерии да „научат” трика чрез HGT.
HGT зависи от близостта, а телата ни създават близост до огромни мащаби, като събират микроби в гъсти тълпи. Говори се, че градовете са центрове на иновациите, защото концентрират хората на едно и също място, което позволява идеите и информацията да текат по-свободно. По същия начин телата на животните са центрове на генетични иновации, тъй като позволяват на ДНК да тече по-свободно между сгушени маси микроби. Затворете очи и картинките на гени, които се движат около тялото ви, преминават от един микроб в друг. Ние оживяваме пазарите, където търговците на бактерии обменят своите генетични изделия.
***********
Телата на животните са дом на толкова много микроби, че от време на време техните гени проникват в нашите геноми. И понякога тези гени даряват новите си домакини с невероятни способности.
Бръмбарът от кафеени плодове е вредител, който е включил бактериален ген в своя геном, който позволява на ларвите му да усвояват буйните банкети от въглехидрати в кафените зърна. Нито едно друго насекомо - дори много близки роднини - няма същия ген или нещо подобно; само бактерии правят. Като скочи в древен кафефон, генът позволи на този непретенциозен бръмбар да се разпространи в райони за отглеждане на кафе по света и да се превърне в кралска болка в еспресото.
Тогава земеделските стопани имат причини да ненавиждат HGT - но също така и причини да го празнуват. За една група оси, браконидите, прехвърлените гени са дали възможност за странна форма на борба с вредители. Женските от тези оси снасят яйцата си в все още живи гъсеници, които техните млади след това поглъщат живи. За да дадат ръка на гърдите, женските също инжектират гъсениците с вируси, които потискат имунната им система. Те се наричат браковируси и те не са просто съюзници на осите: Те са част от осите. Техните гени са станали напълно интегрирани в генома на браконид и са под негов контрол.
Браковирусите са опитомени вируси! Те са изцяло зависими от осите за тяхното възпроизвеждане. Някои може да кажат, че не са истински вируси; те са почти като секрети от тялото на оса, а не от образувания сами по себе си. Сигурно са произлезли от древен вирус, чиито гени са проправили пътя си в ДНК на предшественик браконид и са останали там. Това сливане породи над 20 000 вида браконидни оси, всички от които имат браковируси в геномите си - огромна династия от паразити, която използва симбиотични вируси като биологично оръжие.
Други животни са използвали хоризонтално прехвърлени гени, за да се защитят от паразити. В крайна сметка бактериите са краен източник на антибиотици. Те са във война помежду си от милиарди години и са измислили обширен арсенал от генетични оръжия за побеждаване на своите съперници. Едно семейство гени, известно като тае, правят протеини, които пробиват дупки във външните стени на бактерии, причинявайки фатални течове. Те са разработени от микроби за използване срещу други микроби. Но тези гени са намерили път и в животните. Скорпионите, акарите и кърлежите ги имат. Така правят и морските анемони, стриди, водни бълхи, лимпетите, морските охлюви и дори ланцетът - много близък роднина на гръбначни животни като нас.
Семейството тай е пример за гена, който се разпространява много лесно чрез HGT. Те са самостоятелни и не се нуждаят от поддържащ състав на други гени, за да си вършат работата. Те са и универсално полезни, защото правят антибиотици. Всяко живо същество трябва да се бори с бактериите, така че всеки ген, който позволява на собственика му да контролира по-ефективно бактериите, ще намери полезна работа през цялото дърво на живота. Ако успее да направи скока, има голям шанс да се утвърди като продуктивна част от новия си домакин. Тези скокове са още по-впечатляващи, защото ние, хората, с цялата си интелигентност и технологии, положително се борим да създадем нови антибиотици. Толкова сме омагьосани, че не откриваме нови видове от десетилетия. Но прости животни като кърлежи и морски анемони могат да направят своето собствено, незабавно постигайки това, от което се нуждаем от много кръгове изследвания и разработки - всичко чрез хоризонтален трансфер на гени.
Тези истории представят HGT като добавъчна сила, която влива както микроби, така и животни с чудесни нови сили. Но може да бъде и изваждане. Същият процес, който дава полезни микробни способности на получателите на животни, може да накара микробите сами да изсъхнат и да се разпадат, до момента, в който те изчезнат изцяло и остават само генетичните им наследства.
Съществото, което най-добре показва този феномен, може да бъде открито в оранжерии и полета по целия свят, много за жалостта на фермерите и градинарите. Това е цитрусовата мушица: малко насекомо, всмукващо сок, което прилича на ходеща люспа от пърхот или на дървесна въшка, която е опушена в брашно. Пол Бъхнер, онзи свръх трудолюбив учен на симбионтите, посети клана на червеите при обиколката си по света на насекомите. За никого не е изненада, той намери бактерии вътре в клетките си. Но, по-необичайно, той също описа „кръгли или дълги слузливи глобули, в които симбионтите са плътно вградени“. Тези глобули изчезнаха в неизвестност от десетилетия до 2001 г., когато учените научиха, че не са просто къщи за бактерии. Сами бяха бактерии.
Цитрусовата брашно е жива кукла matryoshka. В него живеят бактерии, а тези бактерии имат повече бактерии, които живеят вътре в тях. Проблеми в бъгове в рамките на бъгове. По-големият вече се нарича Тремблая след Ерменегилдо Тремблей, италиански ентомолог, който е учил при Бюхнер. По-малката се нарича Моранела, след като гаврата на въшки Нанси Моран. („Едно жалко малко нещо, което ще бъдете кръстено на вас“, каза ми тя с усмивка.)
Джон Макътчън е разработил произхода на тази странна йерархия - и това е почти невероятно в нейните обрати. Започва с Tremblaya, първата от двете бактерии, които колонизират червеите. Тя стана постоянен обитател и подобно на много симбиоти на насекоми загуби гени, важни за съществуването на свободно живеене. В уютната граница на новия си домакин можеше да си позволи да премине с по-облекчен геном. Когато Моранела се присъедини към тази двупосочна симбиоза, Тремблая можеше да си позволи да загуби още повече гени, със сигурност, че новото пристигане ще вдигне слабостта. Тук HGT е по-скоро за евакуиране на бактериални гени от кораб, който е капитан. Той запазва гени, които в противен случай биха били изгубени при неизбежния разпад, който засяга симбионтите геноми.
Например, и трите партньора си сътрудничат за производството на хранителни вещества. За да създадат аминокиселината фенилаланин, те се нуждаят от девет ензима. Tremblaya може да изгради 1, 2, 5, 6, 7 и 8; Моранела може да прави 3, 4 и 5; а сам червеникавият бъг прави 9-и. Нито червеят, нито двете бактерии не могат сами да си правят фенилаланин; те зависят един от друг, за да запълнят празнините в репертоарите си. Това ми напомня за Graeae от гръцката митология: трите сестри, които споделят едно око и един зъб между тях. Всичко друго би било излишно: Подредбата им, макар и странна, все пак им позволява да виждат и дъвчат. Така е и с червеникавия бъг и неговите симбионти. Те се оказаха с една метаболитна мрежа, разпределена между трите им допълнителни генома. В аритметиката на симбиозата един плюс един плюс един може да бъде равен на един.
*********
Светът около нас е гигантски резервоар от потенциални партньори от микроби. Всяка уста може да внесе нови микроби, които храносмилат по-рано неразрушима част от нашите ястия или детоксикират отровите в по-рано неядлива храна, или които убиват паразит, който по-рано потискаше нашите числа. Всеки нов партньор може да помогне на своя домакин да хапне малко повече, да пътува малко по-нататък, да оцелее малко по-дълго.
Повечето животни не могат да участват в тези адаптации с отворен код умишлено. Те трябва да разчитат на късмета, за да ги надарят с подходящите партньори. Но ние, хората, не сме толкова ограничени. Ние сме новатори, планиращи и решаващи проблеми. И имаме едно огромно предимство, което липсват на всички други животни: Знаем, че микроби съществуват! Разработили сме инструменти, които могат да ги видят.
Умишлено можем да ги отглеждаме. Имаме инструменти, които могат да дешифрират правилата, които управляват тяхното съществуване, и естеството на партньорствата им с нас. И това ни дава силата да манипулираме умишлено тези партньорства. Можем да заменим фалшивите общности на микробите с нови, които ще доведат до по-добро здраве. Можем да създадем нови симбиози, които се борят с болестта. И можем да разрушим вековни съюзи, които застрашават живота ни.
От предстоящата книга СЪДЪРЖАМ МНОГОСТИ: Микробите вътре в нас и по-голям поглед на живота от Ед Йонг. Copyright © 2016 от Ед Йонг. Да бъде публикуван на 9 август от Ecco, отпечатък на издателство HarperCollins. Препечатано с разрешение .
