Когда вы родились, вы унаследовали половину своих генов от матери и половину от отца. Это твоя судьба. Эти унаследованные кусочки ДНК останутся с вами на всю жизнь, без каких-либо дополнительных дополнений или упущений. У тебя не может быть ни одного из моих генов, а я не могу получить ни одного из твоих.
Связанный контент
- Ты - то, что ты ешь, и то, что ты ешь, - это миллионы микробов
- Пленные драконы Комодо делятся своим кишащим микробиомом со своей средой, как и мы
Но представьте себе другой мир, где друзья и коллеги могут менять гены по своему желанию. Если у вашего босса есть ген, который делает его устойчивым к различным вирусам, вы можете позаимствовать его. Если у вашего ребенка есть ген, который подвергает его риску заболевания, вы можете обменять его на более здоровую версию. Если у дальних родственников есть ген, который позволяет им лучше переваривать определенные продукты, то это ваш. В этом мире гены - это не просто семейные реликвии, которые передаются по вертикали от одного поколения к другому, а товары, которые должны продаваться горизонтально, от одного человека к другому.
Это именно тот мир, в котором живут бактерии. Они могут обмениваться ДНК так же легко, как мы можем обмениваться телефонными номерами, деньгами или идеями. Иногда они сталкиваются друг с другом, создают физическую связь и пересекают кусочки ДНК: их эквивалент пола. Они также могут выискивать выброшенные кусочки ДНК в своей среде, оставленные их мертвыми и разлагающимися соседями. Они могут даже полагаться на вирусы для перемещения генов из одной клетки в другую. ДНК течет так свободно между ними, что геном типичной бактерии увязан в генах, полученных от его сверстников. Даже близкородственные штаммы могут иметь существенные генетические различия.
Бактерии осуществляли эти горизонтальные переносы генов, или коротко HGT, в течение миллиардов лет. Но только в 1920-х годах ученые впервые осознали, что происходит. Они заметили, что безвредные штаммы пневмококка могут внезапно начать вызывать заболевание после смешения с мертвыми и пульпированными останками инфекционных штаммов. Что-то в выдержках изменило их. В 1943 году «тихий революционер» и микробиолог по имени Освальд Эвери показал, что этим трансформирующим материалом является ДНК, которую неинфекционные штаммы поглотили и интегрировали в свои собственные геномы. Четыре года спустя молодой генетик по имени Джошуа Ледерберг (который впоследствии популяризировал слово «микробиом») показал, что бактерии могут напрямую торговать ДНК.
Я храню множество людей: микробы внутри нас и более грандиозный взгляд на жизнь
купитьШестьдесят лет спустя мы знаем, что ХАГАТ является одним из наиболее глубоких аспектов жизни бактерий. Это позволяет бактериям развиваться с невероятной скоростью. Когда они сталкиваются с новыми проблемами, им не нужно ждать правильных мутаций, чтобы медленно накапливаться в их существующей ДНК. Они могут просто позаимствовать адаптацию оптом, собирая гены у свидетелей, которые уже адаптировались к стоящим перед ними задачам. Эти гены часто включают в себя столовые наборы для разрушения неиспользованных источников энергии, щиты, защищающие от антибиотиков или арсеналы для заражения новых хозяев. Если инновационная бактерия развивает один из этих генетических инструментов, ее соседи могут быстро получить те же черты. Этот процесс может мгновенно превратить микробов из безобидных жителей кишечника в болезнетворных монстров, из мирных Джекилл в зловещих Хайдов.
Они также могут трансформировать уязвимые патогенные микроорганизмы, которые легко убить, в кошмарные «супербаги», которые сбрасывают со счетов даже наши самые сильнодействующие лекарства. Распространение этих устойчивых к антибиотикам бактерий, несомненно, представляет собой одну из самых серьезных угроз для общественного здравоохранения в XXI веке и свидетельствует о безудержной силе ХАГАТ.
Животные не такие быстрые. Мы адаптируемся к новым вызовам обычным медленным и устойчивым способом. Люди с мутациями, которые делают их наиболее подходящими для жизненных проблем, с большей вероятностью выживут и передадут свои генетические дары следующему поколению. Со временем полезные мутации становятся более распространенными, а вредные исчезают. Это классический естественный отбор - медленный и устойчивый процесс, который затрагивает население, а не отдельных людей. Ястребы-шершни, и люди могут постепенно накапливать полезные мутации, но этот отдельный шершень, или этот конкретный ястреб, или те конкретные люди не могут подобрать полезные гены для себя.
За исключением иногда, они могут. Они могли обменять свои симбиотические микробы, мгновенно приобретя новый пакет микробных генов. Они могут связывать новые бактерии с теми, которые находятся в их теле, так что чужеродные гены мигрируют в их микробиом, наполняя их нативные микробы новыми способностями. В редких, но драматических случаях они могут интегрировать микробные гены в свои собственные геномы.
Возбужденные журналисты иногда любят утверждать, что ХАГАТ бросает вызов взгляду Дарвина на эволюцию, позволяя организмам избежать тирании вертикального наследования. («Дарвин был неправ», провозглашено печально известное прикрытие « Нового ученого» - неправильно.) Это не так. HGT добавляет новое изменение в геном животного, но как только эти прыгающие гены прибывают в свои новые дома, они все еще подвергаются хорошему естественному отбору.
Вредные погибают вместе со своими новыми хозяевами, а полезные передаются следующему поколению. Это настолько классически дарвиновский, насколько это возможно - ванильный по своему вкусу и исключительный по скорости. Сотрудничая с микробами, мы можем ускорить медленное, преднамеренное адажио нашей эволюционной музыки до оживленного, живого аллегро их.
**********
Вдоль побережья Японии красновато-коричневые водоросли цепляются за скалы, покрытые приливами. Это Порфира, более известная как нори, и она наполняла желудки японцев более 1300 лет. Сначала люди измельчают его в съедобную пасту. Позже они разложили его на листы, которые обернули вокруг кусочков суши. Эта практика продолжается и сегодня, и популярность Нори распространилась по всему миру. Тем не менее, он имеет особую связь с Японией. Давнее наследие страны потребления нори оставило ее людей особенно хорошо подготовленными для переваривания морских овощей. У нас нет никаких ферментов, которые могут разрушить водоросли, и большинство бактерий у нас в кишечнике.
Но море полно лучше оборудованных микробов. Одна из них, бактерия под названием Zobellia galactanivorans, была обнаружена всего десять лет назад, но питалась водорослями гораздо дольше. Картина Зобелия, много веков назад живущая в прибрежных японских водах, сидящая на кусочке водорослей и переваривающая его. Внезапно его мир разрушен. Рыбак собирает морские водоросли и использует их для приготовления пасты нори. Его семья расправляется с этими кусочками, и при этом они проглатывают Зобеллия . Бактерия оказывается в новой среде. Холодная соленая вода заменила желудочные соки. Его обычная группа морских микробов была заменена странными и незнакомыми видами. И поскольку он смешивается с этими экзотическими незнакомцами, он делает то, что обычно делают бактерии, когда они встречаются: он разделяет свои гены.
Мы знаем, что это произошло потому, что Ян-Хендрик Хехеманн обнаружил один из генов Зобеллии в кишечной бактерии человека под названием Bacteroides plebeius . Открытие было полным шоком: что, черт возьми, морского гена делал в кишечнике человека с сухопутной землей? Ответ включает в себя ХАГАТ. Зобеллия не приспособлена к жизни в кишечнике, поэтому, когда она ехала на кусочках нори, она не задерживалась. Но за короткое время он мог легко пожертвовать некоторые из своих генов B. plebeius, в том числе те, которые строят ферменты, переваривающие водоросли, называемые порфираназами.
Внезапно этот кишечный микроб приобрел способность расщеплять уникальные углеводы, найденные в нори, и мог питаться этим исключительным источником энергии, который его коллеги не могли использовать. Хехеманн обнаружил, что он полон генов, чьи ближайшие аналоги существуют у морских микробов, а не у других видов кишечника. Многократно заимствуя гены у морских микробов, он стал экспертом в переваривании морских овощей.
B. plebeius не одинок в воровстве морских ферментов. Японцы ели нори так долго, что их кишечные микробы изобилуют пищеварительными генами океанических видов. Маловероятно, что такие передачи все еще продолжаются: современные повара жарят и готовят нори, сжигая микробов, путешествующих автостопом. Посетителям прошлых веков удалось только импортировать такие микробы в их кишки, съедая сырье.
Затем они передали свои кишечные микробы, теперь загруженные генами порфираназы, разрушающими водоросли, своим детям. Хехеманн видел признаки того же наследства, происходящего сегодня. Одним из людей, которых он изучал, была не отлученная от груди девочка, которая в своей жизни никогда не ела глоток суши. И все же ее кишечные бактерии имели ген порфираназы, как и ее мать. Ее микробы были предварительно приспособлены для пожирания нори.
Hehemann опубликовал свое открытие в 2010 году, и оно остается одной из самых ярких историй о микробиомах. Просто поедая морские водоросли, японские посетители прошлых веков заказали группу пищеварительных генов в невероятном путешествии от моря до земли. Гены перемещались горизонтально от морских микробов до кишечных, а затем вертикально от одного кишечника к другому. Их путешествия могли пойти еще дальше. Сначала Хехеманн мог найти гены для порфираназ только в японских микробиомах, а не в североамериканских. Теперь это изменилось: у некоторых американцев явно есть гены, даже те, которые не имеют азиатского происхождения.
Как это случилось? Плебей прыгнул с японских кишок на американские? Пришли ли гены от других морских микробов, убирающихся в разные продукты? Валлийцы и ирландцы издавна использовали морские водоросли порфиры, чтобы приготовить блюдо, называемое умывальником; могли ли они приобрести порфираназы, которые затем переправили через Атлантику? Пока никто не знает. Но модель «предполагает, что как только эти гены попадают в первоначальный хозяин, где бы это ни происходило, они могут рассредоточиться между индивидуумами», говорит Хехеманн.
Это великолепный пример адаптивной скорости, присущей HGT. Людям не нужно выделять ген, который может расщеплять углеводы в водорослях; если мы проглотим достаточно микробов, способных переваривать эти вещества, есть все шансы, что наши собственные бактерии «научатся» этому трюку с помощью ХАГАТ.
HGT зависит от близости, и наши тела в огромных масштабах проектируют близость, собирая микробы в плотные толпы. Говорят, что города являются центрами инноваций, потому что они концентрируют людей в одном месте, позволяя идеям и информации распространяться более свободно. Точно так же тела животных являются центрами генетических инноваций, поскольку они позволяют ДНК более свободно течь между толпами микробов. Закройте глаза и изобразите мотки генов, пронизывающие ваше тело, передаваемые от одного микроба к другому. Мы являемся оживленными рынками, где торговцы бактериями обмениваются своими генетическими продуктами.
***********
Тела животных являются домом для стольких микробов, что иногда их гены проникают в наши геномы. И иногда эти гены дарят своим новым хозяевам невероятные способности.
Жук-возбудитель кофейных ягод - это вредитель, который включил бактериальный ген в свой собственный геном, что позволяет личинкам переваривать пышные углеводы в кофейных зернах. Ни одно другое насекомое - даже очень близкие родственники - не имеет такого же гена или чего-либо подобного; только бактерии делают. Прыгнув в древнее кофейное отверстие, ген позволил этому скромному жуку распространиться по всем регионам, выращивающим кофе, и превратиться в королевскую боль в эспрессо.
Таким образом, у фермеров есть причины ненавидеть ХАГАТ, но есть и причины, чтобы праздновать это. Для одной группы ос, бракониды, перенесенные гены позволили использовать причудливую форму борьбы с вредителями. Самки этих ос откладывают яйца в еще живущих гусениц, которых их потомство пожирает живыми. Чтобы помочь личинкам, самки также вводят гусеницам вирусы, которые подавляют их иммунную систему. Их называют браковирусами, и они не просто союзники ос: они являются частью ос. Их гены полностью интегрированы в геном браконида и находятся под его контролем.
Браковирусы являются одомашненными вирусами! Они полностью зависят от ос для своего размножения. Некоторые могут сказать, что они не настоящие вирусы, это все; они почти похожи на выделения тела осы, а не на сущности сами по себе. Должно быть, они произошли от древнего вируса, чьи гены проникли в ДНК наследственного браконида и остались там. Это слияние привело к появлению более 20 000 видов браконидных ос, у всех из которых есть геномы браковирусов - огромная династия паразитов, использующая симбиотические вирусы в качестве биологического оружия.
Другие животные использовали горизонтально перенесенные гены, чтобы защитить себя от паразитов. Бактерии, в конце концов, являются основным источником антибиотиков. Они воевали друг с другом на протяжении миллиардов лет и изобрели обширный арсенал генетического оружия для победы над своими соперниками. Одно семейство генов, известное как tae, производит белки, которые пробивают отверстия во внешних стенках бактерий, вызывая фатальные утечки. Они были разработаны микробами для использования против других микробов. Но эти гены нашли свой путь и в животных. У них есть скорпионы, клещи и клещи. То же самое делают морские анемоны, устрицы, водяные блохи, блюдца, морские слизни и даже ланцет - очень близкий родственник таких животных, как мы.
Семейство таэ иллюстрирует вид генов, которые очень легко распространяются через HGT. Они самодостаточны и не нуждаются в поддержке других генов для выполнения своей работы. Они также универсально полезны, потому что они делают антибиотики. Каждое живое существо должно бороться с бактериями, поэтому любой ген, который позволяет его владельцу более эффективно контролировать бактерии, найдет полезную работу на древе жизни. Если он может совершить прыжок, у него есть хороший шанс заявить о себе как о продуктивной части своего нового хозяина. Эти скачки тем более впечатляют, потому что мы, люди, со всем нашим интеллектом и технологиями, положительно боремся за создание новых антибиотиков. Мы настолько ошарашены, что не обнаружили новых типов в течение десятилетий. Но простые животные, такие как клещи и морские анемоны, могут делать своих собственных, мгновенно достигая того, что нам нужно для многих исследований и разработок - все путем горизонтальной передачи генов.
Эти истории изображают ХАГАТА как аддитивную силу, которая наделяет микробов и животных удивительными новыми силами. Но это также может быть вычитающим. Тот же самый процесс, который наделяет животных-реципиентов полезными микробными способностями, может привести к тому, что сами микробы увядают и разлагаются до такой степени, что они полностью исчезают и остается только их генетическое наследие.
Существо, которое лучше всего иллюстрирует это явление, можно найти в теплицах и полях по всему миру, к большому огорчению фермеров и садоводов. Это цитрусовый мясной клоп: маленькое насекомое, высасывающее сок, похожее на ходячую чешуйку перхоти или мокрицу, посыпанную мукой. Пол Бюхнер, этот супер-трудолюбивый ученый симбионтов, посетил клан мясного жука в своем путешествии по миру насекомых. Не удивительно, что он обнаружил бактерии внутри их клеток. Но, что более необычно, он также описал «округлые или длинные слизистые глобулы, в которые густо встроены симбионты». Эти шарики томились в неизвестности на протяжении десятилетий до 2001 года, когда ученые узнали, что они были не просто домами для бактерий. Они сами были бактериями.
Цитрусовый молочай - это живая матрешка. В его клетках живут бактерии, и в этих бактериях живет больше бактерий. Ошибки внутри ошибок внутри ошибок. Большую сейчас называют Tremblaya по имени Ermenegildo Tremblay, итальянского энтомолога, который учился у Бюхнера. Меньшая называется Моранелла в честь спорщика тлей Нэнси Моран. («Это какая-то жалкая маленькая вещь, которую называют в честь тебя», - сказала она мне с усмешкой.)
Джон Маккатчон разработал истоки этой странной иерархии - и она почти невероятна в своих поворотах. Это начинается с Tremblaya, первой из двух бактерий, которые будут колонизировать млекопитающих. Он стал постоянным жителем и, подобно многим насекомым-симбионтам, потерял гены, важные для свободно живущего существования. В уютной обстановке своего нового хозяина он мог позволить себе обходиться с более обтекаемым геномом. Когда Моранелла присоединился к этому двухстороннему симбиозу, Тремблая могла позволить себе потерять еще больше генов в уверенности, что новое прибытие восполнит слабину. Здесь HGT больше об эвакуации бактериальных генов с опрокидывающегося корабля. Он сохраняет гены, которые в противном случае были бы потеряны в результате неизбежного распада, поражающего геномы симбионтов.
Например, все три партнера сотрудничают для производства питательных веществ. Чтобы создать аминокислоту фенилаланин, им нужно девять ферментов. Тремблая может строить 1, 2, 5, 6, 7 и 8; Моранелла может составить 3, 4 и 5; и один только мясной клоп делает 9-ое. Ни мучнистый клоп, ни две бактерии не могут производить фенилаланин самостоятельно; они зависят друг от друга, чтобы заполнить пробелы в своем репертуаре. Это напоминает мне о греческих мифологиях: три сестры, которые разделяют один глаз и один зуб между ними. Все остальное было бы излишним: их расположение, хотя и странное, все же позволяет им видеть и жевать. Так же и с мясным жуком и его симбионтами. В итоге они получили единую метаболическую сеть, распределенную между тремя комплементарными геномами. В арифметике симбиоза один плюс один плюс один может равняться единице.
*********
Окружающий мир - гигантский резервуар потенциальных микробных партнеров. Каждый глоток может принести новые микробы, которые переваривают ранее не разрушаемую часть нашей пищи, или выводят из организма яды в ранее несъедобной пище, или убивают паразита, который ранее подавлял наши числа. Каждый новый партнер может помочь своему хозяину съесть немного больше, путешествовать немного дальше, выжить немного дольше.
Большинство животных не могут сознательно использовать эти приспособления с открытым исходным кодом. Они должны полагаться на удачу, чтобы наделить их правильными партнерами. Но мы, люди, не так ограничены. Мы новаторы, планировщики и решатели проблем. И у нас есть одно огромное преимущество, которого нет у всех других животных: мы знаем, что существуют микробы! Мы разработали инструменты, которые могут их видеть.
Мы можем сознательно их выращивать. У нас есть инструменты, которые могут расшифровать правила, регулирующие их существование, и характер их партнерских отношений с нами. И это дает нам возможность преднамеренно манипулировать этими партнерствами. Мы можем заменить неустойчивые сообщества микробов новыми, которые приведут к улучшению здоровья. Мы можем создавать новые симбиозы, которые борются с болезнями. И мы можем разрушить вековые союзы, которые угрожают нашей жизни.
Из будущей книги Я СОДЕРЖИТ МНОГОВЕЗДНЫЕ: микробы внутри нас и более грандиозный взгляд на жизнь Эда Йонга. Copyright © 2016 Эд Йонг. Будет опубликовано 9 августа Ecco, отпечатком издательства HarperCollins. Перепечатано с разрешения .
