Da du ble født, arvet du halvparten av genene fra moren din og halvparten av faren din. Det er mye. De arvede bitene av DNA vil forbli hos deg hele livet, uten ytterligere tillegg eller mangler. Du kan ikke ha noen av genene mine, og jeg kan ikke skaffe noen av dine.
Relatert innhold
- Du er hva du spiser, og hva du spiser er millioner av mikrober
- Captive Komodo Dragons deler deres myldrende mikrobiom med miljøet, akkurat som oss
Men tenk deg en annen verden der venner og kolleger kan bytte gener når du vil. Hvis sjefen din har et gen som gjør henne motstandsdyktig mot forskjellige virus, kan du låne det. Hvis barnet ditt har et gen som setter ham i fare for sykdom, kan du bytte det ut til din sunnere versjon. Hvis fjerne slektninger har et gen som lar dem fordøye visse matvarer bedre, er det ditt. I denne verden er gener ikke bare arvestykker som skal overføres vertikalt fra en generasjon til den neste, men varer som skal omsettes horisontalt, fra en person til en annen.
Dette er nøyaktig den verdenen som bakterier lever i. De kan utveksle DNA så enkelt som vi kan bytte telefonnummer, penger eller ideer. Noen ganger kaster de seg opp til hverandre, lager en fysisk kobling og skifter biter av DNA på tvers: deres ekvivalent av sex. De kan også kaste bort kasserte biter av DNA i omgivelsene sine, etterlatt av sine døde og råtnende naboer. De kan til og med stole på virus for å flytte gener fra en celle til en annen. DNA flyter så fritt mellom seg at genomet til en typisk bakterie er marmorert med gener som kom fra sine jevnaldrende. Selv nært beslektede stammer kan ha betydelige genetiske forskjeller.
Bakterier har gjennomført disse horisontale genoverføringene, eller HGT i kort tid, i milliarder av år. Men det var først på 1920-tallet at forskere først skjønte hva som skjedde. De la merke til at ufarlige stammer av Pneumococcus plutselig kunne begynne å forårsake sykdom etter å ha blandet seg med de døde og massede restene av smittsomme stammer. Noe i ekstraktene hadde endret dem. I 1943 viste en "stille revolusjonær" og mikrobiolog ved navn Oswald Avery at dette transformative materialet var DNA, som de ikke-smittende stammene hadde absorbert og integrert i deres egne genomer. Fire år senere viste en ung genetiker ved navn Joshua Lederberg (som senere ville popularisere ordet ”mikrobiom”) at bakterier kan handle DNA mer direkte.
I contain multitudes: the Microbes Within Us and a Grander View of Life
KjøpeSeksti år etter vet vi at HGT er et av de mest dype aspektene ved bakterielivet. Det gjør at bakterier kan utvikle seg i blærehastighet. Når de står overfor nye utfordringer, trenger de ikke å vente på at de riktige mutasjonene sakte skal samles innenfor sitt eksisterende DNA. De kan bare låne tilpasninger engros, ved å hente gener fra tilreisende som allerede har tilpasset seg utfordringene. Disse genene inkluderer ofte spisesteder for å bryte ned uutnyttede energikilder, skjold som beskytter mot antibiotika eller arsenaler for å infisere nye verter. Hvis en nyskapende bakterie utvikler et av disse genetiske verktøyene, kan naboene raskt få de samme egenskapene. Denne prosessen kan øyeblikkelig endre mikrober fra ufarlige tarmbeboere til sykdomsfremkallende monstre, fra fredelige Jekyller til uhyggelige Hydes.
De kan også forvandle sårbare patogener som er enkle å drepe til mareritt "superbugs" som trekker på seg selv de mest kraftige medisinene. Spredningen av disse antibiotikaresistente bakteriene er utvilsomt en av de største truslene mot folkehelsen i det 21. århundre, og det er vitne til HGTs uhemmete kraft.
Dyr går ikke så raskt. Vi tilpasser oss nye utfordringer på vanlig sakte og jevn måte. Personer med mutasjoner som lar dem være best egnet til livets utfordringer, er mer sannsynlig å overleve og videreformidle sine genetiske gaver til neste generasjon. Over tid blir nyttige mutasjoner vanligere, mens skadelige falmer. Dette er klassisk naturlig utvalg - en langsom og jevn prosess som påvirker populasjoner, ikke individer. Hornets haukere, og mennesker kan gradvis akkumulere fordelaktige mutasjoner, men det enkelte hornet, eller denne spesifikke hauk, eller de spesielle menneskene kan ikke plukke opp gunstige gener for seg selv.
Bortsett fra noen ganger kan de det. De kunne bytte sine symbiotiske mikrober og umiddelbart skaffe seg en ny pakke med mikrobielle gener. De kan bringe nye bakterier i kontakt med de i kroppene deres, slik at fremmede gener migrerer inn i mikrobiomet deres, og får deres innfødte mikrober med nye evner. Ved sjeldne, men dramatiske anledninger, kan de integrere mikrobielle gener i sine egne genomer.
Spennende journalister liker noen ganger å hevde at HGT utfordrer Darwins syn på evolusjonen, ved å la organismer slippe unna tyranni i vertikal arv. (“Darwin tok feil, ” proklamerte et beryktet dekning av New Scientist - galt.) Dette stemmer ikke. HGT legger til ny variasjon i et dyrs genom, men når disse hoppende genene ankommer deres nye hjem, er de fortsatt gjenstand for et godt og naturlig utvalg.
Skadelige dør sammen med sine nye verter, mens fordelaktige blir gitt videre til neste generasjon. Dette er like klassisk darwinistisk som det blir — vanilje i sin smak og eksepsjonell bare i sin hastighet. Ved å samarbeide med mikrober, kan vi gjøre den langsomme, bevisste adagien til vår evolusjonsmusikk raskere til den livlige, livlige allegro av dem.
**********
Langs Japans kyster klamrer seg en rødbrun tang til tidevannede bergarter. Dette er Porphyra, bedre kjent som nori, og den har fylt japanske mager i over 1.300 år. Til å begynne med, bakket folk den til en spiselig pasta. Senere flater de det ut i laken, som de pakket rundt biter av sushi. Denne praksisen fortsetter i dag, og noris popularitet har spredd seg over hele verden. Fortsatt har det et spesielt bånd til Japan. Landets lange arv av nori-forbruk har etterlatt befolkningen spesielt godt rustet til å fordøye havgrønnsaken. Vi har ingen enzymer som kan bryte ned algene, og heller ikke de fleste bakteriene i tarmen vår.
Men havet er fullt av bedre utstyrte mikrober. En av disse, en bakterie kalt Zobellia galactanivorans, ble oppdaget for bare et tiår siden, men har spist tang mye lenger. Picture Zobellia, århundrer siden, bor i kystnære japanske farvann, sitter på et stykke tang og fordøyer det. Plutselig blir verden opphørt. En fisker samler tang og bruker den til å lage noripasta. Familien hans ulver ned disse brisene, og på den måten svelger de Zobellia . Bakterien befinner seg i et nytt miljø. Kjølig saltvann er erstattet med magesafter. Det vanlige koteriet med marine mikrober er erstattet av rare og ukjente arter. Og mens det blander seg med disse eksotiske fremmede, gjør det hva bakterier vanligvis gjør når de møter opp: Den deler genene sine.
Vi vet at dette skjedde fordi Jan-Hendrick Hehemann oppdaget et av Zobellias gener i en menneskelig tarmbakterie kalt Bacteroides plebeius . Oppdagelsen var et totalt sjokk: hva i all verden gjorde et marint gen i tarmen til et landdobbelt menneske? Svaret innebærer HGT. Zobellia er ikke tilpasset livet i tarmen, så da den syklet inn på små nori, stakk den ikke rundt. Men i løpet av sin korte periode kunne den lett ha gitt noen av genene sine til B. plebeius, inkludert de som bygger tang-fordøyelsesenzymer kalt porfyranaser.
Plutselig fikk den tarmmikroben muligheten til å bryte ned de unike karbohydratene som finnes i nori, og kunne feste på denne eksklusive energikilden som jevnaldrende ikke kunne bruke. Hehemann fant ut at den er full av gener hvis nærmeste kolleger finnes i marine mikrober snarere enn i andre tarmbaserte arter. Ved gjentatte ganger å låne gener fra havmikrober, har det blitt dyktig til å fordøye havgrønnsaker.
B. plebeius er ikke alene om å tyve marine enzymer. Japanerne har spist nori så lenge at tarmenes mikrober er pepret med fordøyelsesgener fra oseaniske arter. Det er lite sannsynlig at slike forflytninger fortsatt skjer: Moderne kokker steker og koker nori, forbrenner eventuelle heisende mikrober. Spisene fra århundrer tidligere klarte bare å importere slike mikrober i tarmen ved å spise de rå.
De ga deretter tarmmikrober, nå lastet med tang-porfyranase gener, til barna sine. Hehemann så tegn til den samme arven som foregår i dag. En av personene han studerte var en uvunnet babyjente, som aldri hadde spist en munnfull sushi i livet hennes. Og likevel hadde tarmbakteriene hennes et porfyranasegen, akkurat som morens gjorde. Hennes mikrober kom pre-tilpasset for å sluke nori.
Hehemann publiserte oppdagelsen sin i 2010, og det er fortsatt en av de mest slående mikrobiomfortellingene rundt. Bare ved å spise tang, booket de japanske spisegjestene fra århundrer tidligere en gruppe fordøyelsesgener på en utrolig seilas fra hav til land. Genene beveget seg horisontalt fra marine mikrober til tarmer, og deretter vertikalt fra en tarme til en annen. Deres reiser kan ha gått enda lenger. Til å begynne med kunne Hehemann bare finne genene for porfyranaser i japanske mikrobiomer og ikke nordamerikanske. Det har nå endret seg: Noen amerikanere har helt klart genene, også de som ikke er av asiatisk aner.
Hvordan skjedde det? Hoppet B. plebeius fra japanske tarmer til amerikanske? Kom genene fra andre marine mikrober som stuet bort ombord forskjellige matvarer? Waleserne og irene har lenge brukt Porphyra tang til å lage en rett som heter kalk; kunne de ha skaffet seg porfyranaser som de deretter bar over Atlanterhavet? Foreløpig er det ingen som vet det. Men mønsteret "antyder at når disse genene treffer den første verten, uansett hvor det skjer, kan de spre seg mellom individer, " sier Hehemann.
Dette er et strålende eksempel på den adaptive hastigheten som HGT gir. Mennesker trenger ikke å utvikle et gen som kan bryte ned karbohydratene i tang; hvis vi svelger nok mikrober som kan fordøye disse stoffene, er det stor sjanse for at våre egne bakterier vil "lære" trikset gjennom HGT.
HGT avhenger av nærhet, og kroppene våre konstruerer nærhet i stor skala ved å samle mikrober i tette folkemengder. Det sies at byer er knutepunkt for innovasjon fordi de konsentrerer mennesker på samme sted, og lar ideer og informasjon flyte mer fritt. På samme måte er dyrlegemer knutepunkt for genetisk innovasjon, fordi de tillater at DNA flyter mer fritt mellom sammenvokste masser av mikrober. Lukk øynene, og sett bilder av nøster av gener som trer seg rundt kroppen din, ført fra en mikrobe til en annen. Vi er yrende markedsplasser, der bakteriehandlere bytter ut sine genetiske varer.
***********
Dyrlegemer er hjem til så mange mikrober at genene av og til tar veien inn i genomene våre. Og noen ganger tildeler disse genene sine nye verter med utrolige evner.
Kaffebærboren er en skadedyr som har innarbeidet et bakteriegen i sitt eget genom, som lar larvene sine fordøye de frodige bankettene med karbohydrater i kaffebønner. Ingen andre insekter - ikke engang veldig nære slektninger - har det samme genet eller noe lignende; bare bakterier gjør det. Ved å hoppe inn i en eldgamle kaffebor, tillot genet denne beskjedne billen å spre seg over kaffedyrker i hele verden og bli en kongelig smerte i espresso.
Bønder har da grunner til å avsky HGT - men også grunner til å feire det. For en gruppe veps, braconider, overførte gener har muliggjort en bisarr form for skadedyrbekjempelse. Hunnene på disse vepsene legger eggene sine i fremdeles levende larver, som deres unge deretter sluker levende. For å gi riene en hånd, injiserer hunnene også larvene med virus, som undertrykker immunforsvaret. Disse kalles bracovirus, og de er ikke bare allierte av vepsene: De er en del av vepsene. Genene deres har blitt fullstendig integrert i det braconide genomet, og er under kontroll av det.
Bracovirus er domestiserte virus! De er helt avhengige av vepsene for deres reproduksjon. Noen vil kanskje si at de ikke er sanne virus; de er nesten som sekreter av vepsens kropp i stedet for enheter i seg selv. De må ha kommet ned fra et eldgammelt virus, hvis gener kastet seg inn i DNAet til en forfedres braconid og ble der. Denne fusjonen ga opphav til over 20 000 arter av braconide veps, som alle har bracovirus i genomene - et enormt dynasti av parasitter som bruker symbiotiske virus som biologiske våpen.
Andre dyr har brukt horisontalt overførte gener for å forsvare seg mot parasitter. Bakterier er tross alt den ultimate kilden til antibiotika. De har vært i krig med hverandre i milliarder av år og har funnet opp et omfattende arsenal av genetiske våpen for å slå sine rivaler. En familie av gener, kjent som tae, lager proteiner som slår hull i bakteriens yttervegger og forårsaker dødelige lekkasjer. Disse ble utviklet av mikrober for bruk mot andre mikrober. Men disse genene har funnet veien inn i dyr også. Skorpioner, midd og flått har dem. Det samme gjør havanemoner, østers, vannlopper, limpets, sjøslugger og til og med lancelet - en veldig nær slektning av bånd med dyr som oss.
Tae- familien eksemplifiserer den typen gener som spres veldig lett gjennom HGT. De er selvforsynt, og trenger ikke en støttende rollebesetning av andre gener for å gjøre jobben sin. De er også universelt nyttige, fordi de lager antibiotika. Enhver levende ting må kjempe med bakterier, så ethvert gen som gjør det mulig for eieren å kontrollere bakterier mer effektivt, vil få en vinnende sysselsetting i hele livets tre. Hvis det kan hoppe, har det en god sjanse til å etablere seg som en produktiv del av sin nye vert. Disse hoppene er desto mer imponerende fordi vi mennesker, med all vår intelligens og teknologi, sliter positivt med å lage nye antibiotika. Så flummoxed er vi at vi ikke har oppdaget noen nye typer på flere tiår. Men enkle dyr som flått og sjøanemoner kan lage sine egne, og oppnå øyeblikkelig det vi trenger mange runder med forskning og utvikling å gjøre - alt gjennom horisontal genoverføring.
Disse historiene fremstiller HGT som en tilsetningskraft, som tilfører både mikrober og dyr med fantastiske nye krefter. Men det kan også være subtraktivt. Den samme prosessen som gir nyttige mikrobielle evner hos mottakere av dyr, kan gjøre at mikroberne selv visner og forfaller til det punktet hvor de forsvinner helt og bare deres genetiske arv er igjen.
Den skapningen som best eksemplifiserer dette fenomenet, kan finnes i veksthus og åker rundt om i verden, mye til uhelse for bønder og gartnere. Det er sitrusmelebollen: et lite saft-sugende insekt som ser ut som en vandrende flassflak eller en vedhull som er blitt støvet i mel. Paul Buchner, den superindustrielle forskeren av symbionter, besøkte den mysige klanen på sin tur i insektverdenen. Til ingen overraskelse fant han bakterier inne i cellene deres. Men mer uvanlig beskrev han også '' runde eller langaktig slimete kuler der symbiontene er tett innebygd. Disse kulene smeltet i uklarhet i flere tiår frem til 2001, da forskere fikk vite at de ikke bare var hus for bakterier. De var bakterier selv.
Sitrus mealybug er en levende matryoshka dukke. Den har bakterier som bor inne i cellene, og de bakteriene har flere bakterier som bor inne i dem. Feil innen feil innen feil. Den større heter nå Tremblaya etter Ermenegildo Tremblay, en italiensk entomolog som studerte under Buchner. Den mindre heter Moranella etter bladlus-wrangler Nancy Moran. ("Det er en slags patetisk liten ting å bli oppkalt etter deg, " fortalte hun meg med et flir.)
John McCutcheon har utarbeidet opprinnelsen til dette rare hierarkiet - og det er nesten utrolig i vendinger. Det begynner med Tremblaya, den første av de to bakteriene som koloniserer myseboller. Den ble fastboende, og som mange insektsymboler mistet den gener som var viktige for en frittlevende tilværelse. I den koselige grensen til den nye verten, hadde den råd til å klare seg med et mer strømlinjeformet genom. Da Moranella ble med i denne toveis symbiosen, hadde Tremblaya råd til å miste enda flere gener, i sikkerhet for at den nye ankomsten ville plukke opp slakken. Her handler HGT mer om å evakuere bakteriegener fra et kantret skip. Den bevarer gener som ellers ville gå tapt for det uunngåelige forfallet som rammer symbiontgener.
For eksempel samarbeider alle tre partnerne for å lage næringsstoffer. For å lage aminosyren fenylalanin trenger de ni enzymer. Tremblaya kan bygge 1, 2, 5, 6, 7 og 8; Moranella kan lage 3, 4 og 5; og mealybug alene gjør det niende. Verken mealybug eller de to bakteriene kan lage fenylalanin på egen hånd; de er avhengige av hverandre for å fylle hullene i repertoarene. Dette minner meg om Graeae fra gresk mytologi: de tre søstrene som deler ett øye og en tann mellom seg. Noe mer ville være overflødig: Arrangementet deres, selv om det er merkelig, lar dem fortsatt se og tygge. Slik er det med mealybug og dens symbionter. De endte opp med et enkelt metabolsk nettverk, fordelt mellom de tre komplementære genomene. I aritmetikken til symbiose kan en pluss en pluss en like.
*********
Verden rundt oss er et gigantisk reservoar av potensielle mikrobielle partnere. Hver munnfull kunne bringe inn nye mikrober som fordøyer en tidligere uknuselig del av måltidene våre, eller som avgifter giftstoffene i en tidligere uspiselig mat, eller som dreper en parasitt som tidligere undertrykte antallene våre. Hver nye partner kan hjelpe verten med å spise litt mer, reise litt lenger, overleve litt lenger.
De fleste dyr kan ikke utnytte disse åpen kildekode-tilpasningene med vilje. De må stole på flaks for å gi dem de rette partnerne. Men vi mennesker er ikke så begrensede. Vi er innovatører, planleggere og problemløsere. Og vi har en enorm fordel som alle andre dyr mangler: Vi vet at mikrober eksisterer! Vi har utviklet instrumenter som kan se dem.
Vi kan bevisst vokse dem. Vi har verktøy som kan tyde reglene som styrer deres eksistens, og arten av deres partnerskap med oss. Og det gir oss kraften til å manipulere disse partnerskap med vilje. Vi kan erstatte vaklende samfunn av mikrober med nye som vil føre til bedre helse. Vi kan lage nye symbioser som bekjemper sykdom. Og vi kan bryte eldgamle allianser som truer livene våre.
Fra den kommende boken I CONTAIN MULTITUDES: The Microbes Within Us and a Grander View of Life av Ed Yong. Copyright © 2016 av Ed Yong. Publiseres 9. august av Ecco, et avtrykk av HarperCollins forlag. Trykt på nytt med tillatelse .
