Da du blev født, arvet du halvdelen af dine gener fra din mor og halvdelen fra din far. Det er dit parti. De arvede bits af DNA forbliver hos dig i hele dit liv uden yderligere tilføjelser eller undladelser. Du kan ikke have nogen af mine gener, og jeg kan ikke erhverve nogen af dine.
Relateret indhold
- Du er, hvad du spiser, og hvad du spiser er millioner af mikrober
- Fangenskapelige Komodo-drager deler deres vrimlende mikrobiome med deres miljø, ligesom os
Men forestil dig en anden verden, hvor venner og kolleger kan bytte gener efter eget ønske. Hvis din chef har et gen, der gør hende resistent over for forskellige vira, kan du låne det. Hvis dit barn har et gen, der sætter ham i fare for sygdom, kan du bytte det ud til din sundere version. Hvis fjerne pårørende har et gen, der giver dem mulighed for bedre at fordøje visse fødevarer, er det dit. I denne verden er gener ikke bare arvestykker, der overføres lodret fra en generation til den næste, men varer, der skal handles vandret, fra et individ til et andet.
Dette er nøjagtigt den verden, bakterier lever i. De kan udveksle DNA så let, som vi måske udveksler telefonnumre, penge eller ideer. Nogle gange sidder de op til hinanden, skaber en fysisk forbindelse og skifter bits af DNA på tværs: deres ækvivalent med køn. De kan også skrabe bort kasserede bits af DNA i deres miljø, efterladt af deres døde og forfaldne naboer. De kan endda stole på vira for at flytte gener fra en celle til en anden. DNA flyder så frit mellem dem, at genomet til en typisk bakterie er marmoreret med gener, der kom fra dets kammerater. Selv tæt beslægtede stammer kan have betydelige genetiske forskelle.
Bakterier har gennemført disse horisontale genoverførsler eller HGT i kort tid i milliarder af år. Men det var først i 1920'erne, at videnskabsmænd først indså, hvad der skete. De bemærkede, at ufarlige stammer af Pneumococcus pludselig kunne begynde at forårsage sygdom efter at have blandet sig med de døde og pulpede rester af infektiøse stammer. Noget i uddragene havde ændret dem. I 1943 viste en "stille revolutionær" og mikrobiolog ved navn Oswald Avery, at dette transformative materiale var DNA, som de ikke-infektiøse stammer havde absorberet og integreret i deres egne genomer. Fire år senere viste en ung genetiker ved navn Joshua Lederberg (som senere ville popularisere ordet ”mikrobiome”) at bakterier kan handle med DNA mere direkte.
Jeg indeholder masser: mikroberne inde i os og et større livssyn
Købe60 år senere ved vi, at HGT er et af de mest dybe aspekter af bakterielivet. Det giver bakterier mulighed for at udvikle sig ved blærehastigheder. Når de står over for nye udfordringer, behøver de ikke at vente på, at de rigtige mutationer langsomt samles inden for deres eksisterende DNA. De kan bare låne engrossalgstilpasninger ved at hente gener fra tilskuere, der allerede har tilpasset sig de udfordringer, der er tale om. Disse gener inkluderer ofte spisesæt til nedbrydning af uudnyttede energikilder, skjolde, der beskytter mod antibiotika eller arsenaler til infektion af nye værter. Hvis en innovativ bakterie udvikler et af disse genetiske værktøjer, kan dens naboer hurtigt opnå de samme træk. Denne proces kan øjeblikkeligt ændre mikrober fra ufarlige tarmbeboere til sygdomsfremkaldende monstre, fra fredelige Jekyller til uhyggelige Hydes.
De kan også omdanne sårbare patogener, der er lette at dræbe til mareridt "superbugs", der trækker fra selv vores mest potent medicin. Spredningen af disse antibiotikaresistente bakterier er uden tvivl en af de største trusler mod folkesundheden i det 21. århundrede, og det er vidnesbyrd om HGTs uhæmmede magt.
Dyr går ikke så hurtigt. Vi tilpasser os nye udfordringer på den sædvanlige langsomme og stabile måde. Personer med mutationer, der efterlader dem bedst egnet til livets udfordringer, er mere tilbøjelige til at overleve og videregive deres genetiske gaver til den næste generation. Med tiden bliver nyttige mutationer mere almindelige, mens skadelige falder væk. Dette er klassisk naturlig valg - en langsom og stabil proces, der påvirker populationer, ikke individer. Hornets haukere og mennesker kan gradvis akkumulere fordelagtige mutationer, men det individuelle hornet, eller denne specifikke hauk, eller de særlige mennesker kan ikke samle gavnlige gener for sig selv.
Bortset fra undertiden kan de det. De kunne bytte deres symbiotiske mikrober og straks få en ny pakke mikrobielle gener. De kan bringe nye bakterier i kontakt med dem i deres krop, så fremmede gener migrerer ind i deres mikrobiome og får deres indfødte mikrober med nye evner. I sjældne, men dramatiske tilfælde, kan de integrere mikrobielle gener i deres egne genomer.
Spændende journalister kan undertiden gerne hævde, at HGT udfordrer Darwins syn på evolutionen ved at lade organismer undslippe tyranniet i lodret arv. (”Darwin tog fejl, ” proklamerede en berygtet dækning af New Scientist - forkert.) Dette er ikke sandt. HGT tilføjer nye variationer i et dyrs genom, men når disse hoppende gener ankommer i deres nye hjem, er de stadig underlagt et godt og naturligt valg.
Skadelige dør sammen med deres nye værter, mens gavnlige overføres til den næste generation. Dette er lige så klassisk darwinistisk som det bliver - vanilje i sin smag og enestående kun i dens hastighed. Ved at samarbejde med mikrober kan vi gøre den langsomme, bevidste adagio af vores evolutionære musik hurtigere til den livlige, livlige allegro af dem.
**********
Langs Japans kyster klamrer sig en rødbrun tang til tidevandede klipper. Dette er Porphyra, bedre kendt som nori, og den har fyldt japanske maver i over 1.300 år. Først malede folk det til en spiselig pasta. Senere fladt de det ud i lagner, som de pakket rundt om små sushi. Denne praksis fortsætter i dag, og noris popularitet har spredt sig over hele verden. Det har stadig et specielt bånd til Japan. Landets lange arv af nori-forbrug har efterladt sine mennesker især godt rustet til at fordøje havgrøntsagerne. Vi har ikke enzymer, der kan nedbryde algerne, og heller ikke de fleste af bakterierne i vores tarme.
Men havet er fuld af bedre udstyrede mikrober. En af disse, en bakterie kaldet Zobellia galactanivorans, blev opdaget for blot et årti siden, men har spist tang i meget længere tid. Forestil dig Zobellia, århundreder siden, der bor i japanske kystnære farvande, sidder på et stykke tang og fordøjer det. Pludselig bliver dens verden oprørt. En fisker samler tang og bruger den til at fremstille nori-pasta. Hans familie ulver disse stumper, og ved at gøre det sluger de Zobellia . Bakterien befinder sig i et nyt miljø. Koldt saltvand er erstattet med gastrisk juice. Dens sædvanlige koterie af marine mikrober er erstattet af underlige og ukendte arter. Og mens det blandes med disse eksotiske fremmede, gør det, hvad bakterier typisk gør, når de mødes: Det deler dets gener.
Vi ved, at dette skete, fordi Jan-Hendrick Hehemann opdagede en af Zobellias gener i en human tarmbakterie kaldet Bacteroides plebeius . Opdagelsen var et totalt chok: hvad i alverden lavede et havgen i tarmen hos et landdobbelt menneske? Svaret involverer HGT. Zobellia er ikke tilpasset livet i tarmen, så da den kørte ind på små nori-stykker, stak den ikke rundt. Men i løbet af den korte periode, kunne den let have doneret nogle af sine gener til B. plebeius, herunder dem, der bygger tang-fordøjelsesenzymer kaldet porphyranases.
Pludselig fik denne tarmmikrob evne til at nedbryde de unikke kulhydrater, der findes i nori, og kunne feste på denne eksklusive energikilde, som dens kammerater ikke kunne bruge. Hehemann fandt, at den er fuld af gener, hvis nærmeste modstykker findes i marine mikrober snarere end i andre tarmsbaserede arter. Ved gentagne gange at låne gener fra havmikrober er det blevet dygtig til at fordøje havgrøntsager.
B. plebeius er ikke alene om at tyve marine enzymer. Japanerne har spist nori i så længe, at deres tarmmikrober er pebret med fordøjelsesgener fra oceaniske arter. Det er dog usandsynligt, at sådanne overførsler stadig foregår: Moderne kokke stege og laver nori, der forbrænder eventuelle hitchhiking-mikrober. Gæsterne fra århundreder tidligere formåede kun at importere sådanne mikrober i deres tarm ved at spise de rå ting.
De sendte derefter deres tarmmikrober, nu fyldt med tang-busting porphyranase gener, til deres børn. Hehemann så tegn på den samme arv, der foregår i dag. En af de mennesker, han studerede, var en uopvædet babypige, der aldrig havde spist en mundfuld sushi i sit liv. Og alligevel havde hendes tarmbakterier et porphyranasegen, ligesom hendes mors gjorde. Hendes mikrober kom forudindrettet til at fortære nori.
Hehemann offentliggjorde sin opdagelse i 2010, og det er stadig en af de mest markante historier om mikrobiom. Bare ved at spise tang, bookede de japanske spisesteder fra århundreder tidligere en gruppe fordøjelsesgener på en utrolig rejse fra hav til land. Genene bevægede sig vandret fra marine mikrober til tarmen og derefter lodret fra den ene tarme til den anden. Deres rejser er måske gået endnu længere. Først kunne Hehemann kun finde generne til porphyranaser i japanske mikrobiomer og ikke nordamerikanske. Det har nu ændret sig: Nogle amerikanere har helt klart generne, også dem, der ikke er af asiatisk herkomst.
Hvordan skete det? Hoppede B. plebeius fra japanske tarme til amerikanske? Kom generne fra andre marine mikrober, der stuver væk ombord forskellige fødevarer? Waleserne og Irerne har længe brugt Porphyra tang til at lave en skål, der hedder laver; kunne de have erhvervet porfyranaser, som de derefter bar over Atlanterhavet? Indtil videre er der ingen der ved. Men mønsteret "antyder, at når disse gener rammer den oprindelige vært, uanset hvor det sker, kan de spredes mellem individer, " siger Hehemann.
Dette er et herligt eksempel på den adaptive hastighed, som HGT giver. Mennesker behøver ikke at udvikle et gen, der kan nedbryde kulhydraterne i tang; hvis vi sluger nok mikrober, der kan fordøje disse stoffer, er der enhver chance for, at vores egne bakterier "lærer" tricket gennem HGT.
HGT afhænger af nærhed, og vores kroppe konstruerer nærhed i en enorm skala ved at samle mikrober i tæt skare. Det siges, at byer er knudepunkter for innovation, fordi de koncentrerer folk på samme sted, så idéer og information kan flyde mere frit. På samme måde er dyrelegemer knudepunkter for genetisk innovation, fordi de tillader, at DNA flyder mere frit mellem de sammenvulmede masser af mikrober. Luk dine øjne, og tag et billede af gener, der trækker sig rundt i din krop, overført fra en mikrobe til en anden. Vi travle markedspladser, hvor bakteriehandlere udveksler deres genetiske varer.
***********
Dyrelegemer er hjemsted for så mange mikrober, at lejlighedsvis deres gener kommer vej ind i vores genomer. Og nogle gange tildeler disse gener deres nye værter med utrolige evner.
Kaffebærboren er en skadedyr, der har inkorporeret et bakteriegen i sit eget genom, som tillader dets larver at fordøje de frodige banketter med kulhydrater i kaffebønner. Intet andet insekt - ikke engang meget nære slægtninge - har det samme gen eller noget lignende; kun bakterier gør. Ved at hoppe ind i en gammel kaffebor, lod genet denne beskedne bille sprede sig over kaffedyrkende regioner rundt om i verden og blive en kongelig smerte i espresso.
Landmænd har derfor grunde til at afsky HGT - men også grunde til at fejre det. For en gruppe hveps, braconiderne, overførte gener har muliggjort en bisarr form for skadedyrbekæmpelse. Hunnene på disse hveps lægger deres æg i stadig levende larver, som deres unge derefter fortærer i live. For at give rydderne en hånd, injicerer hunnerne også larverne med vira, der undertrykker deres immunsystem. Disse kaldes bracovirus, og de er ikke kun allierede hveps: De er en del af hvepsene. Deres gener er blevet fuldstændigt integreret i braconid genomet og er under dens kontrol.
Bracovirus er domestiserte vira! De er helt afhængige af hvepsene for deres reproduktion. Nogle vil måske sige, at de ikke er virkelige vira; de er næsten som sekretioner af hveps krop snarere end enheder i deres egen ret. De må være nedstammet fra en gammel virus, hvis gener sprang vej ind i DNAet fra et forfædres braconid og blev der. Denne fusion førte til over 20.000 arter af braconide veps, som alle har bracovirus i deres genom - et enormt dynasti af parasitter, der bruger symbiotiske vira som biologiske våben.
Andre dyr har brugt vandret overførte gener til at forsvare sig mod parasitter. Bakterier er trods alt den ultimative kilde til antibiotika. De har været i krig med hinanden i milliarder af år og har opfundet et omfattende arsenal af genetiske våben til at slå deres rivaler. Én familie af gener, kendt som tae, fremstiller proteiner, der kaster huller i bakteriens ydre vægge, hvilket forårsager dødelige lækager. Disse blev udviklet af mikrober til brug mod andre mikrober. Men disse gener har også fundet vej ind i dyr. Skorpioner, mider og flåter har dem. Så gør havanemoner, østers, vandlopper, limpets, søslugs og endda lancelet - en meget nær slægtning til tilbagebundne dyr som os selv.
Tae- familien eksemplificerer den slags gener, der spredes meget let gennem HGT. De er selvforsynende og har ikke brug for en støttende rollebesætning af andre gener for at gøre deres job. De er også universelt nyttige, fordi de fremstiller antibiotika. Enhver levende ting skal kæmpe med bakterier, så ethvert gen, der tillader dets ejer at kontrollere bakterier mere effektivt, vil finde en vindende beskæftigelse i hele livets træ. Hvis det kan springe, har det en god chance for at etablere sig som en produktiv del af sin nye vært. Disse spring er desto mere imponerende, fordi vi mennesker med al vores intelligens og teknologi kæmper positivt for at skabe nye antibiotika. Så flummoxed er vi, at vi ikke har opdaget nogen nye typer i årtier. Men enkle dyr som flåter og havanemoner kan lave deres egne og med det samme opnå det, vi har brug for mange runder af forskning og udvikling til at gøre - alt gennem horisontal genoverførsel.
Disse historier fremstiller HGT som en additiv kraft, der blander både mikrober og dyr med vidunderlige nye kræfter. Men det kan også være subtraktivt. Den samme proces, der giver dyremodtagere nyttige mikrobielle evner, kan gøre mikroberne selv til at visne og forfaldne, til det punkt, hvor de forsvinder helt, og kun deres genetiske arv er tilbage.
Den væsen, der bedst eksemplificerer dette fænomen, kan findes i drivhuse og marker rundt om i verden, meget til uorden af landmænd og gartnere. Det er citrusmælkebug: et lille saft-sugende insekt, der ligner en vandrende flass eller en træhule, der er blevet støvet i mel. Paul Buchner, den superindustrielle lærer af symbionter, besøgte den hvide bugtsklan på sin tur i insektverdenen. Til ingen overraskelse fandt han bakterier inde i deres celler. Men mere usædvanligt beskrev han også '' runde eller langagtige slimhindekugler, hvor symbionterne er tæt indlejret «. Disse kugler svækkede i uklarhed i årtier indtil 2001, da forskere fik at vide, at de ikke bare var huse til bakterier. De var selv bakterier.
Citrusmellybug er en levende matryoshka dukke. Den har bakterier, der lever inde i dens celler, og disse bakterier har flere bakterier, der lever inde i dem. Bugs inden for bugs inden for bugs. Den større kaldes nu Tremblaya efter Ermenegildo Tremblay, en italiensk entomolog, der studerede under Buchner. Den mindre kaldes Moranella efter bladlus-wrangler Nancy Moran. (”Det er en slags patetisk lille ting at blive opkaldt efter dig, ” fortalte hun mig med et grin.)
John McCutcheon har udarbejdet oprindelsen af dette underlige hierarki - og det er næsten utroligt i dets vendinger. Det begynder med Tremblaya, den første af de to bakterier, der koloniserer musebugger. Det blev en fastboende, og som mange insektsymbionter mistede den gener, der var vigtige for en frit leve eksistens. I de hyggelige rammer for sin nye vært kunne det have råd til at komme forbi med et mere strømlinet genom. Da Moranella kom med i denne to-vejs symbiose, havde Tremblaya råd til at miste endnu flere gener i sikkerhed for, at den nye ankomst ville afhente slakken. Her handler HGT mere om at evakuere bakteriegener fra et kapslerende skib. Det bevarer gener, der ellers ville gå tabt til det uundgåelige forfald, der påvirker symbiont genomer.
For eksempel samarbejder alle tre partnere for at fremstille næringsstoffer. For at skabe aminosyren phenylalanin har de brug for ni enzymer. Tremblaya kan bygge 1, 2, 5, 6, 7 og 8; Moranella kan lave 3, 4 og 5; og mejsebugen alene udgør den 9.. Hverken bueskyden eller de to bakterier kan fremstille phenylalanin alene. de er afhængige af hinanden for at udfylde hullerne i deres repertoirer. Dette minder mig om Graeae fra græsk mytologi: de tre søstre, der deler et øje og en tand mellem dem. Noget mere ville være overflødigt: Deres arrangement, skønt underligt, giver dem stadig mulighed for at se og tygge. Så er det med hvide bug og dens symbionter. De endte med et enkelt metabolisk netværk fordelt mellem deres tre komplementære genomer. I aritmetikken til symbiose kan én plus én plus en være ens.
*********
Verden omkring os er et gigantisk reservoir af potentielle mikrobielle partnere. Hver mundfuld kunne bringe nye mikrober ind, der fordøjer en tidligere uknuselig del af vores måltider, eller som afgifter gifterne i en tidligere uspiselig mad, eller som dræber en parasit, der tidligere undertrykte vores antal. Hver nye partner hjælper måske sin vært med at spise lidt mere, rejse lidt videre, overleve lidt længere.
De fleste dyr kan ikke benytte sig af disse open source-tilpasninger med vilje. De skal stole på held for at give dem de rette partnere. Men vi mennesker er ikke så begrænsede. Vi er innovatører, planlæggere og problemløsere. Og vi har en enorm fordel, som alle andre dyr mangler: Vi ved, at der findes mikrober! Vi har udtænkt instrumenter, der kan se dem.
Vi kan bevidst vokse dem. Vi har værktøjer, der kan dechifrere de regler, der styrer deres eksistens, og arten af deres partnerskaber med os. Og det giver os magten til med vilje at manipulere disse partnerskaber. Vi kan erstatte vaklende samfund af mikrober med nye, der vil føre til bedre helbred. Vi kan skabe nye symbioser, der bekæmper sygdomme. Og vi kan bryde ældgamle alliancer, der truer vores liv.
Fra den kommende bog INNEHOLDER jeg MULTITUDER: Mikroberne inden for os og et større livssyn af Ed Yong. Copyright © 2016 af Ed Yong. Skal offentliggøres den 9. august af Ecco, et aftryk af HarperCollins forlag. Genoptrykt med tilladelse .
