Syntyessään peritit puolet geeneistä äidiltäsi ja puolet isältäsi. Se on sinun paljon. Ne perinnölliset DNA-bitit pysyvät kanssasi koko elämäsi, ilman lisäyksiä tai puutteita. Sinulla ei voi olla yhtään geeniäni, enkä voi hankkia ketään.
Asiaan liittyvä sisältö
- Sinä olet mitä syöt, ja mitä syöt on miljoonia mikrobeja
- Captive Komodo Dragons jakaa Teeming-mikrobiominsa ympäristönsä kanssa, kuten mekin
Kuvittele kuitenkin erilainen maailma, jossa ystävät ja kollegat voivat vaihtaa geenejä halutessaan. Jos pomollasi on geeni, joka tekee hänestä vastustuskykyisen useille viruksille, voit lainata sen. Jos lapsellasi on geeni, joka asettaa hänet sairausriskiin, voit vaihtaa sen terveellisemmän version suhteen. Jos etäisillä sukulaisilla on geeni, jonka avulla he voivat sulavat paremmin tiettyjä ruokia, se on sinun. Tässä maailmassa geenit eivät ole vain perintökohteita, joita siirretään pystysuunnassa sukupolvelta toiselle, vaan hyödykkeitä, joita käydään kaupassa horisontaalisesti, yksilöstä toiselle.
Tässä on tarkalleen maailma, jossa bakteerit elävät. He voivat vaihtaa DNA: ta yhtä helposti kuin voisimme vaihtaa puhelinnumeroita, rahaa tai ideoita. Joskus ne liukuvat toisiinsa, luovat fyysisen linkin ja siirtävät bittiä DNA: ta sukupuolen vastaavuutena. He voivat myös kaataa hävitetyt DNA-bitit ympäristöönsä, jotka ovat jättäneet kuolleet ja rappeutuvat naapurit. He voivat luottaa jopa viruksiin siirtääkseen geenejä solusta toiseen. DNA virtaa niin vapaasti niiden välillä, että tyypillisen bakteerin genomi on marmoroitu geeneineen, jotka saapuivat ikäisensä ikäisiltä. Jopa läheisesti läheisillä kannoilla voi olla merkittäviä geneettisiä eroja.
Bakteerit ovat suorittaneet näitä horisontaalisia geenisiirtoja tai lyhytaikaisesti HGT: tä miljardien vuosien ajan. Mutta vasta 1920-luvulla tutkijat ymmärsivät ensin, mitä tapahtui. He huomasivat, että vaarattomat Pneumococcus-kannat saattavat yhtäkkiä alkaa aiheuttaa tautia sekoittuessa tarttuvien kantojen kuolleisiin ja massoituihin jäänteisiin. Jokin otteista oli muuttanut niitä. Vuonna 1943 Oswald Avery -niminen ”hiljainen vallankumouksellinen” ja mikrobiologi osoitti, että tämä muuntava materiaali oli DNA: ta, jonka tarttumattomat kannat olivat absorboineet ja integroituneet omaan genomiinsa. Neljä vuotta myöhemmin nuori geneetikko nimeltä Joshua Lederberg (joka myöhemmin popularisoi sanaa “mikrobiome”) osoitti, että bakteerit voivat kauppaa DNA: ta suoraan.
Sisältää monimuotoisuutta: Mikrobit sisällämme ja upea näkymä elämään
OstaaKuusikymmentä vuotta myöhemmin tiedämme, että HGT on yksi perusteellisimmista näkökohdista bakteerien elämässä. Sen avulla bakteerit voivat kehittyä rakkuloiden nopeudella. Uusien haasteiden edessä heidän ei tarvitse odottaa oikeiden mutaatioiden hidastuvan olemassa olevan DNA: n sisällä. He voivat lainata sovituksia tukkukaupalla hakemalla geenejä sivullisilta, jotka ovat jo sopeutuneet kyseisiin haasteisiin. Nämä geenit sisältävät usein ruokasarjat käyttämättömien energialähteiden hajottamiseksi, suojat, jotka suojaavat antibiooteilta, tai arsenaalit uusien isäntien tartuttamiseksi. Jos innovatiivinen bakteeri kehittää yhden näistä geenityökaluista, naapurit voivat saada nopeasti samat piirteet. Tämä prosessi voi heti muuttaa mikrobit vaarattomista suoliston asukkaista sairauksia aiheuttaviksi hirviöiksi, rauhanomaisista Jekyllistä pahaen Hydeksi.
Ne voivat myös muuttaa haavoittuvia patogeenejä, joita on helppo tappaa, painajaisiksi ”superbugsiksi”, jotka pleppaavat jopa tehokkaimpia lääkkeitämme. Näiden antibioottiresistenttien bakteerien leviäminen on epäilemättä yksi 2000-luvun suurimmista kansanterveyden uhista, ja se on osoitus HGT: n hallitsemattomasta voimasta.
Eläimet eivät ole niin nopeita. Sopeutumme uusiin haasteisiin tavalliseen hitaasti ja tasaisesti. Henkilöt, joilla on mutaatioita, jotka tekevät niistä parhaiten sopivia elämän haasteisiin, selviävät todennäköisemmin ja siirtävät geneettisen lahjansa seuraavalle sukupolvelle. Ajan myötä hyödyllisistä mutaatioista tulee yleisempiä, kun taas haitalliset mutaatiot häviävät. Tämä on klassinen luonnollinen valinta - hidas ja tasainen prosessi, joka vaikuttaa väestöön, ei yksilöihin. Hornetit haukot ja ihmiset saattavat vähitellen kerätä hyödyllisiä mutaatioita, mutta kyseinen yksittäinen sarvi tai tämä erityinen haukka tai kyseiset ihmiset eivät voi poimia hyödyllisiä geenejä itselleen.
Paitsi joskus, he voivat. He voivat vaihtaa symbioottisia mikrobiaansa hankkimalla heti uuden paketin mikrobigeenejä. Ne voivat tuoda uudet bakteerit kosketuksiin kehossa olevien bakteerien kanssa, niin että vieraat geenit muuttuvat mikrobiomiinsa, luomalla alkuperäisille mikrobilleen uusia kykyjä. Harvinaisissa, mutta dramaattisissa tilanteissa he voivat integroida mikrobigeenit omaan genomiinsa.
Ystävälliset toimittajat haluavat joskus väittää, että HGT haastaa Darwinin näkemyksen evoluutiosta antamalla organismeille paeta vertikaalisen perinnön tyranniasta. (“Darwin oli väärässä”, julisti surullisen uuden tutkijan kannen - väärin.) Tämä ei ole totta. HGT lisää uutta variaatiota eläimen genomiin, mutta kun nämä hyppäävät geenit saapuvat uusiin koteihinsa, heillä on silti hyvä luonnollinen valinta.
Haitalliset kuolevat uusien isäntiensä mukana, kun taas hyödylliset siirretään seuraavalle sukupolvelle. Tämä on yhtä klassista darwinilaista kuin saa - vanilja maussa ja poikkeuksellinen vain nopeudellaan. Yhteistyössä mikrobien kanssa voimme nopeuttaa evoluutio-musiikkimme hidasta, tarkoituksellista adagioa heidän reippaan, vilkkaaseen allegroon.
**********
Japanin rannikkoa pitkin punertavanruskea merilevä tarttuu vuoroveden pyyhkimiin kiviin. Tämä on Porphyra, tunnetaan paremmin nori ja se on täyttänyt japanilaisten vatsat yli 1 300 vuoden ajan. Aluksi ihmiset jauhavat sen syötäväksi tahnaksi. Myöhemmin he tasoittivat sen levyiksi, jotka käärittivät sushimurssien ympärille. Tämä käytäntö jatkuu tänään ja nori-suosio on levinnyt ympäri maailmaa. Silti sillä on erityinen siteet Japaniin. Maan pitkä perinnöllinen halu kuluttaa ihmisiä on erityisen hyvin varusteltu sulattamaan meren vihanneksia. Meillä ei ole entsyymejä, jotka voivat hajottaa levät, eikä myöskään suurin osa suolistossa olevista bakteereista.
Mutta meri on täynnä paremmin varustettuja mikrobeja. Yksi näistä, Zobellia-galaktanivorans- niminen bakteeri, löydettiin vain kymmenen vuotta sitten, mutta se on syönyt merilevää paljon kauemmin. Kuva Zobellia, vuosisatoja sitten asunut Japanin rannikkovesillä, istuessaan merilevää ja sulattamassa sitä. Yhtäkkiä sen maailma on juurtunut. Kalastaja kerää merilevää ja käyttää sitä norjapastaksi. Hänen perheensä susi alas nämä morselit, ja tekemällä niin ne nielevät Zobellian . Bakteeri löytää itsensä uudesta ympäristöstä. Mahamehut on korvattu viileällä suolavedellä. Sen tavanomainen merimikroottien sarja on korvattu outoilla ja tuntemattomilla lajeilla. Ja kun se sekoittuu näiden eksoottisten vieraiden kanssa, se tekee sen, mitä bakteerit yleensä tekevät, kun tapaavat: Se jakaa geeninsä.
Tiedämme, että näin tapahtui, koska Jan-Hendrick Hehemann löysi yhden Zobellian geeneistä ihmisen suolen bakteerista nimeltä Bacteroides plebeius . Löytö oli kova järkytys: mitä ihmeessä meren geeni teki maapallonvaraisen ihmisen suolistossa? Vastaukseen liittyy HGT. Zobellia ei ole sopeutunut elämään suolistossa, joten kun se ajettiin halu-morseleille, se ei tarttunut ympärilleen. Mutta lyhyen virkakautensa aikana se olisi voinut helposti lahjoittaa osan geeneistään B. plebeiukselle, mukaan lukien sellaiset, jotka rakentavat merilevää sulattavia entsyymejä, nimeltään porfyranaaseja.
Yhtäkkiä tuo suolimikro saavutti kyvyn hajottaa noriista löytyviä ainutlaatuisia hiilihydraatteja ja voisi ruokailla tällä yksinoikeudella energialähteellä, jota ikäisensä eivät pystyneet käyttämään. Hehemann havaitsi, että se on täynnä geenejä, joiden lähimpiä vastineita esiintyy merimikroissa kuin muissa suolipohjaisissa lajeissa. Lainaamalla toistuvasti geenejä merimikrobista, se on tullut taitava sulattamaan meren vihanneksia.
B. plebeius ei ole yksin meren entsyymien varastamisessa. Japanilaiset ovat syöneet halua niin kauan, että heidän suolistomikropensa on täynnä valtameren lajien ruuansulatusgeenejä. On epätodennäköistä, että tällaisia siirtoja jatkuu, vaikkakin: Nykyaikaiset kokit paistavat ja keittävät halua polttaen mahdolliset stoppimikrobit. Satojen vuosisatojen menneiden ruokailijoiden onnistui vain tuoda tällaiset mikrobit suolistoonsa syömällä raakatuotteita.
Sitten he välittivät suolimikrobinsa, nyt täynnä merilevää tuhoavia porfyranaasigeenejä, lapsilleen. Hehemann näki merkkejä samasta perinnöstä meneillään. Yksi hänen tutkineista ihmisistä oli vieroittamaton tyttövauva, joka ei ollut koskaan elämässään syönyt suurta määrää sushia. Ja silti hänen suolen bakteereissa oli porfyranaasigeeni, aivan kuten äitinsä teki. Hänen mikrobit tulivat esiasennettuna halujen syömiseen.
Hehemann julkaisi löytönsä vuonna 2010, ja se on edelleen yksi silmiinpistävimmistä mikrobiomitarinoista ympärillä. Juuri syömällä merilevää, vuosisatojen menneisyyden japanilaiset ruokailijat varasivat ryhmän ruuansulatusgeenejä uskomattomaan matkaan mereltä maahan. Geenit siirtyivät vaakasuunnassa merimikroista suolistoihin ja sitten pystysuorassa suolesta toiseen. Heidän matkansa ovat saattaneet mennä vielä pidemmälle. Aluksi Hehemann pystyi löytämään geenit porfyranaaseille vain Japanin mikrobiomeissa eikä Pohjois-Amerikan mikrobiomeissa. Se on nyt muuttunut: Joillakin amerikkalaisilla on selvästi geenit, jopa niillä, jotka eivät ole Aasian alkuperäisiä.
Miten se tapahtui? Hyppääkö B. plebeius japanilaisten suolesta amerikkalaisiin? Tulevatko geenit muista merimikrobista, jotka ovat sijoittuneet pois eri elintarvikkeisiin? Walesilaiset ja irlantilaiset ovat jo pitkään käyttäneet Porphyra- merilevää laverin nimisen lautasen valmistukseen; voisiko he hankkia porfyranaaseja, joita ne sitten kantoivat Atlantin yli? Toistaiseksi kukaan ei tiedä. Mutta malli "viittaa siihen, että kun nämä geenit osuvat alkuperäiseen isäntään, niin missä tahansa tapahtuu, ne voivat levitä yksilöiden välillä", Hehemann sanoo.
Tämä on loistava esimerkki adaptiivisesta nopeudesta, jonka HGT antaa. Ihmisten ei tarvitse kehittää geeniä, joka hajottaa merilevän hiilihydraatit; Jos nielemme tarpeeksi mikrobeja, jotka pystyvät sulattamaan näitä aineita, on olemassa kaikki mahdollisuudet, että omat bakteerimme “oppivat” temppun HGT: n kautta.
HGT riippuu läheisyydestä, ja kehomme suunnittelevat läheisyyttä valtavassa mittakaavassa keräämällä mikrobit tiheään väkijoukkoon. Sanotaan, että kaupungit ovat innovaatiokeskuksia, koska ne keskittävät ihmiset samaan paikkaan, jolloin ideat ja tiedot voivat liikkua vapaammin. Samoin eläinrungot ovat geneettisen innovoinnin keskuksia, koska ne antavat DNA: n virtata vapaammin pilaantuneiden mikrobimassien välillä. Sulje silmäsi ja kuvan geeninpiirit, jotka kulkevat ympäri kehoasi, siirretään mikrobista toiseen. Olemme vilkkaita markkinoita, joilla bakteerimyyjät vaihtavat geneettisiä tavaroitaan.
***********
Eläinruumiissa asuu niin monta mikrobia, että toisinaan niiden geenit pääsevät genomiin. Ja joskus nämä geenit antavat uusille isännilleen uskomattomia kykyjä.
Kahvimarjakuoriaiskuoriainen on tuholainen, joka on sisällyttänyt bakteerigeenin omaan genomiinsa, jonka avulla toukat sulavat kahvin pavun reheviä hiilihydraattien juhlia. Missään muussa hyönteisessä - ei edes kovin läheisissä sukulaisissa - ei ole samaa geeniä tai mitään vastaavaa; vain bakteerit tekevät. Hyppäämällä muinaiseen kahviporastajaan, geeni antoi tämän vaatimattoman kovakuoriaisen leviämisen kahvinviljelyalueille ympäri maailmaa ja siitä tuli kuninkaallinen kipu espressossa.
Viljelijöillä on siis syytä kauhistua HGT: stä, mutta myös syitä juhlia sitä. Yhdelle ampiaisryhmälle braconids, siirretyt geenit ovat mahdollistaneet omituisen tuholaistorjuntamuodon. Näiden ampiaisten naaraat munivat munansa edelleen elossa oleviin toukkaihin, jotka nuoret sitten syövät elossa. Jotta rypät saavat kätensä, naaraat injektoivat toukkia myös viruksilla, jotka tukahduttavat heidän immuunijärjestelmänsä. Niitä kutsutaan brakoviruksiksi, eivätkä ne ole vain ampiaisten liittolaisia: Ne ovat osa ampiaisia. Heidän geeninsä on integroitunut täysin braconidgenomiin ja ovat sen hallinnassa.
Brakovirukset ovat kotieläimiä! He ovat lisääntymisessä täysin riippuvaisia ampiaisista. Jotkut saattavat sanoa, etteivät ne ole totta viruksia; ne ovat melkein kuin ampiaisrungon eritteitä kuin itsenäisiä kokonaisuuksia. Heidän on pitänyt periä muinaista virusta, jonka geenit pyörivät tiensä esi-ikäisen brakonidin DNA: han ja pysyivät siellä. Tämän sulautumisen seurauksena syntyi yli 20 000 brakonidi-ampiaisen lajia, joiden kaikkien perimissä on brakoviruksia - valtava loisten dynastia, joka käyttää symbioottisia viruksia biologisina aseina.
Muut eläimet ovat käyttäneet vaakatasossa siirrettyjä geenejä puolustaakseen loisiaan. Bakteerit ovat loppujen lopuksi antibioottien lähde. He ovat olleet sotaa keskenään miljardeja vuosia ja ovat keksineet laajan geneettisten aseiden arsenaalin kilpailijoidensa lyömiseksi. Yksi geeniperhe, joka tunnetaan nimellä tae, valmistaa proteiineja, jotka lyövät reikiä bakteerien ulkoseiniin aiheuttaen tappavia vuotoja. Mikrobit ovat kehittäneet ne käytettäväksi muita mikrobeja vastaan. Mutta nämä geenit ovat löytäneet tiensä myös eläimiin. Skorpioneilla, punkkeilla ja punkkeilla on ne. Samoin tekevät merivuokot, osterit, vesikirput, limpät, merilot ja jopa lansetti - itsemme kaltaisten selkärankaisten eläinten hyvin läheinen sukulainen.
Tae- perhe edustaa sellaisia geenejä, jotka leviävät erittäin helposti HGT: n kautta. Ne ovat omavaraisia eivätkä tarvitse työnsä suorittamiseen muita geenejä tukevia näytteitä. Ne ovat myös yleisesti hyödyllisiä, koska ne valmistavat antibiootteja. Jokaisen elävän olennon on taisteltava bakteerien kanssa, joten mikä tahansa geeni, jonka avulla omistaja voi hallita bakteereja tehokkaammin, löytää ansiotyötä koko elämän puusta. Jos se pystyy hyppäämään, sillä on hyvät mahdollisuudet asettua tuottavaksi osaksi uutta isäntään. Nämä hyppyjä ovat entistä vaikuttavampia, koska me ihmiset, kaikella älykkyydellämme ja tekniikallamme, kamppailemme positiivisesti uusien antibioottien luomiseksi. Joten flummoxed olemme, että emme ole löytäneet uusia tyyppejä vuosikymmenien ajan. Mutta yksinkertaiset eläimet, kuten punkit ja merirokot, voivat tehdä omat, saavuttaen heti sen, mitä tarvitsemme monien tutkimus- ja kehityskierrosten tekemiseen - kaikki horisontaalisen geeninsiirron avulla.
Nämä tarinat kuvaavat HGT: tä lisäainevoimana, joka infusoi sekä mikrobit että eläimet ihmeellisillä uusilla voimilla. Mutta se voi olla myös vähentävä. Sama prosessi, joka antaa hyödyllisiä mikrobikykyjä eläinten vastaanottajille, voi saada mikrobit itsensä kuivumaan ja rappeutumaan siihen pisteeseen, jossa ne katoavat kokonaan ja jäljelle jäävät vain niiden geneettiset perinnöt.
Osuus, joka parhaiten kuvaa tätä ilmiötä, löytyy kasvihuoneista ja pelloista ympäri maailmaa, paljon viljelijöiden ja puutarhureiden vaivalle. Se on sitrushedelmäjauholeipä: pieni mehua imevä hyönteinen, joka näyttää kävelyltä hilsehiutaleelta tai jauhoihin pölytetyltä puulta. Paul Buchner, se erittäin ahkera symbionttien tutkija, vieraili ruokarappula-klaanissa kiertueellaan hyönteismaailmassa. Kenenkään yllätykseksi hän löysi bakteereja soluistaan. Mutta epätavallisemmin hän kuvasi myös '' pyöreitä tai pitkiä limakalvoja, joihin symbiontit ovat upotettuja paksuja '. Nämä maapallot hukkuivat epäselvyydessä vuosikymmenien ajan vuoteen 2001 saakka, kun tutkijat oppivat, etteivät ne olleet vain bakteerien taloja. He olivat itse bakteereja.
Sitrushedelmäjauho on elävä matryoshka-nukke. Soluissa on bakteereja, ja niissä on enemmän bakteereja. Bugs sisällä bugs sisällä bugs. Isompaa kutsutaan nyt Tremblayaksi Buchnerin aikana opiskelleen italialaisen entomologin Ermenegildo Tremblayn jälkeen. Pienempää kutsutaan Moranellaksi aphid-wrangler Nancy Moranin jälkeen. ("Se on eräänlainen säälittävä pieni juttu, jonka nimeksi annetaan sinulle", hän kertoi minulle virnistäen.)
John McCutcheon on selvittänyt tämän omituisen hierarkian alkuperät - ja se on melkein uskomatonta käänteissään. Se alkaa Tremblayalla, joka on ensimmäinen kahdesta bakteerista, joka kolonisoi maitopöydät. Siitä tuli pysyvä asukas ja, kuten monet hyönteisten symbiontit, se menetti geenit, jotka olivat tärkeitä vapaasti elävälle olemassaololle. Uuden isäntänsä viihtyisissä rajoissa sillä oli varaa selviytyä virtaviivaisemmasta genomista. Kun Moranella liittyi tähän kaksisuuntaiseen symbioosiin, Tremblayalla oli varaa menettää vielä enemmän geenejä varmuudella siitä, että uusi tulo ottaisi löysyyden. Täällä HGT on pikemminkin bakteerigeenien evakuointi kaappaavasta aluksesta. Se säilyttää geenit, jotka muuten häviäisivät väistämättömään rappeutumiseen, joka kärsii symbiontin genomeista.
Esimerkiksi kaikki kolme kumppania tekevät yhteistyötä ravinteiden valmistamiseksi. Aminohapon fenyylialaniinin luomiseksi he tarvitsevat yhdeksää entsyymiä. Tremblaya voi rakentaa 1, 2, 5, 6, 7 ja 8; Moranella voi tehdä 3, 4 ja 5; ja ruokakoru yksin tekee yhdeksännen. Ei aterianpoika eikä kaksi bakteeria voi tehdä fenyylialaniinia yksinään; ne riippuvat toisistaan täyttääkseen aukonsa ohjelmistoissaan. Tämä muistuttaa minua kreikkalaisen mytologian Graeaesta: kolmesta sisaresta, joilla on yksi silmä ja yksi hammas välillä. Kaikki muut olisivat tarpeettomia: Niiden järjestely, vaikka outoa, antaa heille silti nähdä ja pureskella. Joten se on ruokapala ja sen symbiootit. He päätyivät yhteen aineenvaihduntaverkostoon, joka jakautui heidän kolmen komplementaarisen genominsa kesken. Symbioosin aritmetiikassa yksi plus yksi plus yksi voi olla yhtä.
*********
Ympärillä oleva maailma on jättimäinen potentiaalisten mikrobi-kumppanien säiliö. Jokainen suu voi tuoda uusia mikrobia, jotka sulavat aiemmin särkymättömän osan aterioistamme tai puhdistavat myrkkyjä aiemmin syömättömään ruokaan tai jotka tappavat loisen, joka aiemmin tukahdutti lukumme. Jokainen uusi kumppani saattaa auttaa isäntään syömään vähän enemmän, matkustaa hiukan pidemmälle, selviytyä hiukan pidempään.
Useimmat eläimet eivät voi tietoisesti hyödyntää näitä avoimen lähdekoodin mukautuksia. Heidän on luottaa onneaan saadakseen heidät oikeille kumppaneille. Mutta meitä ihmisiä ei ole niin rajoitettu. Olemme keksijöitä, suunnittelijoita ja ongelmanratkaisijoita. Ja meillä on yksi valtava etu, josta kaikilla muilla eläimillä puuttuu: Tiedämme, että mikrobeja on olemassa! Olemme suunnitelleet instrumentit, jotka näkevät ne.
Voimme kasvattaa niitä tarkoituksella. Meillä on työkaluja, jotka voivat tulkita niiden olemassaoloa koskevia sääntöjä ja heidän kanssakäymisensä luonnetta. Ja se antaa meille vallan manipuloida näitä kumppanuuksia tarkoituksellisesti. Voimme korvata mikrobien häiritsevät yhteisöt uusilla, jotka parantavat terveyttä. Voimme luoda uusia symbiooseja, jotka taistelevat tauteja vastaan. Ja voimme rikkoa ikivanhoja liittoja, jotka uhkaavat elämäämme.
Tulevasta teoksesta SISÄLTÄÄ MULTITUDEJA: Mikrobit sisällämme ja Ed Yongin mahtava kuva elämästä. Tekijänoikeudet © 2016 kirjoittanut Ed Yong. Julkaistaan 9. elokuuta Eccon julkaisulla HarperCollins Publishers. Uusintapaino luvalla .
