https://frosthead.com

Bagaimana Mikrob Ajaib Bantu Kami Berkembang Lebih Baik, Lebih Cepat, Lebih Kukuh

Apabila anda dilahirkan, anda mewarisi setengah gen anda dari ibu anda dan separuh daripada ayah anda. Itu sahaja. Mereka yang mewarisi DNA akan kekal bersama anda untuk semua kehidupan anda, tanpa penambahan atau peninggalan lanjut. Anda tidak boleh mempunyai mana-mana gen saya, dan saya tidak boleh memperoleh apa-apa daripada anda.

Kandungan Terkait

  • Anda adalah apa yang anda makan, dan apa yang anda makan adalah berjuta-juta mikroba
  • Dragons Komodo Dragons Berkongsi Kongsi Mikrobiom mereka dengan Alam Sekitar mereka, Sama Seperti Kami

Tetapi bayangkan dunia yang berbeza di mana rakan dan rakan sekerja dapat menukar gen sekalipun. Jika bos anda mempunyai gen yang membuatnya tahan terhadap pelbagai virus, anda boleh meminjamnya. Jika anak anda mempunyai gen yang meletakkannya berisiko penyakit, anda boleh menukarnya untuk versi anda yang lebih sihat. Jika saudara jauh mempunyai gen yang membolehkan mereka untuk mencerna makanan tertentu dengan lebih baik, itu adalah milik anda. Di dunia ini, gen bukan hanya pusaka yang akan dilepaskan secara menegak dari satu generasi ke yang berikutnya, tetapi komoditi akan didagangkan secara mendatar, dari satu individu ke yang lain.

Inilah sebenarnya dunia yang bakteria hidup. Mereka boleh menukar DNA semudah kita menukar nombor telefon, wang atau idea. Kadang-kadang, mereka merapatkan antara satu sama lain, membuat pautan fizikal, dan bit-bit pemindahan antara: bersamaan dengan seks. Mereka juga boleh mencabut bit yang dibuang DNA dalam persekitaran mereka, ditinggalkan oleh jiran yang mati dan membusuk. Mereka juga boleh bergantung kepada virus untuk memindahkan gen dari satu sel ke yang lain. DNA mengalir secara bebas di antara mereka bahawa genom bakteria tipikal marbled dengan gen yang datang dari rakan-rakannya. Malah strain yang berkait rapat mungkin mempunyai perbezaan genetik yang besar.

Bakteria telah menjalankan pemindahan gen mendatar ini, atau HGT untuk jangka pendek, untuk berbilion tahun. Tetapi tidak sampai tahun 1920an para saintis pertama menyedari apa yang berlaku. Mereka menyedari bahawa strain Pneumococcus yang tidak berbahaya tiba-tiba dapat menyebabkan penyakit selepas bergaul dengan mayat yang mati dan pulpedi daripada strain berjangkit. Sesuatu dalam ekstrak telah mengubahnya. Pada tahun 1943, sebuah "revolusioner tenang" dan ahli mikrobiologi bernama Oswald Avery menunjukkan bahawa bahan transformatif ini adalah DNA, yang tidak diserap oleh strain yang tidak berjangkit dan dimasukkan ke dalam genom mereka sendiri. Empat tahun kemudian, seorang ahli genetik muda bernama Joshua Lederberg (yang kemudiannya mempopularkan perkataan "microbiome") menunjukkan bahawa bakteria boleh memperdagangkan DNA secara lebih langsung.

Preview thumbnail for video 'I Contain Multitudes: The Microbes Within Us and a Grander View of Life

Saya Mengandungi Multitudes: The Microbes Dalam Kita dan Pandangan Besar Kehidupan

Beli

Enam puluh tahun, kita tahu bahawa HGT adalah salah satu aspek yang paling mendalam tentang kehidupan bakteria. Ia membolehkan bakteria berkembang dengan kelajuan melepuh. Apabila mereka menghadapi cabaran baru, mereka tidak perlu menunggu mutasi yang betul untuk perlahan-lahan mengumpulkan dalam DNA mereka yang sedia ada. Mereka hanya boleh meminjam penyesuaian secara borong, dengan mengambil gen dari para pengamat yang telah menyesuaikan diri dengan cabaran yang dihadapi. Gen ini sering termasuk set makan untuk memecahkan sumber tenaga yang belum diterokai, perisai yang melindungi terhadap antibiotik atau arsenal untuk menjangkiti tuan rumah baru. Jika bakteria inovatif berkembang satu alat genetik, jirannya dengan cepat dapat memperoleh sifat yang sama. Proses ini dengan serta-merta dapat mengubah mikrob daripada penduduk usus yang tidak berbahaya kepada raksasa yang menyebabkan penyakit, dari Jekylls yang damai menjadi Hydes jahat.

Mereka juga boleh mengubah patogen yang mudah terdedah yang mudah dibunuh menjadi "superbugs" yang mengerikan walaupun yang paling ampuh ubat-ubatan. Penyebaran bakteria tahan antibiotik ini pasti salah satu ancaman kesihatan awam yang paling besar pada abad ke-21, dan ini adalah bukti kekuasaan HGT yang tidak terkawal.

Haiwan tidak begitu pantas. Kami menyesuaikan diri dengan cabaran baru dalam cara yang perlahan dan mantap. Individu yang mempunyai mutasi yang menjadikan mereka paling sesuai dengan cabaran hidup lebih cenderung untuk bertahan dan menyampaikan hadiah genetik mereka kepada generasi akan datang. Dari masa ke masa, mutasi yang berguna menjadi lebih biasa, sementara yang berbahaya hilang. Ini adalah pemilihan semulajadi klasik-proses yang lambat dan stabil yang menjejaskan populasi, bukan individu. Hawk tanduk, dan manusia mungkin beransur-ansur mengumpul mutasi berfaedah, tetapi tanduk individu, atau elang spesifik ini, atau orang-orang tertentu tidak dapat mengambil gen yang bermanfaat untuk diri mereka sendiri.

Kecuali kadang-kadang, mereka boleh. Mereka boleh menukar mikroba simbiotik mereka, dengan serta-merta memperoleh pakej gen mikrob baru. Mereka boleh membawa bakteria baru ke dalam hubungan dengan mereka yang berada di badan mereka, supaya gen asing bermigrasi ke microbiome mereka, memupuk mikroba asli mereka dengan kebolehan baru. Pada masa yang jarang tetapi dramatik, mereka boleh mengintegrasikan gen mikroba ke dalam genom mereka sendiri.

Wartawan yang mengagumkan kadang-kadang suka menuntut bahawa HGT menantang pandangan Darwin tentang evolusi, dengan membenarkan organisma melarikan diri dari kezaliman warisan menegak. ("Darwin adalah salah, " mengisytiharkan Cover Scientist terkenal-salah.) Ini tidak benar. HGT menambah variasi baru ke dalam genom haiwan tetapi apabila gen melompat ini tiba di rumah baru mereka, mereka masih tertakluk kepada pemilihan semula jadi yang baik.

Orang-orang yang menipu mati bersama dengan tuan rumah mereka yang baru, sementara yang bermanfaat diberikan kepada generasi akan datang. Ini adalah seperti Darwinian klasik kerana ia mendapat-vanila dalam rasa dan hanya luar biasa dalam kelajuannya. Dengan berinteraksi dengan mikrob, kita boleh mempercepatkan adagio yang perlahan, sengaja muzik evolusi kita kepada allegro yang pantas dan meriah.

**********

Di sepanjang pantai Jepun, rumput laut berkulit merah melekat pada batu pasang surut. Ini adalah Porphyra, lebih dikenali sebagai nori, dan ia telah memenuhi perut Jepun selama lebih dari 1, 300 tahun. Pada mulanya, orang meletakkannya ke dalam tampal yang boleh dimakan. Kemudian, mereka meratakannya ke dalam selimut, yang dibungkus sekelip sushi. Amalan ini berterusan pada hari ini dan populariti Nori telah tersebar di seluruh dunia. Namun, ia mempunyai hubungan istimewa dengan Jepun. Warisan panjang penggunaan nori negara ini telah meninggalkan orang-orangnya yang sangat baik untuk mencerna sayuran laut. Kami tidak mempunyai sebarang enzim yang boleh memecahkan alga, dan tidak juga kebanyakan bakteria dalam keberanian kami.

Tetapi laut penuh dengan mikrob yang dilengkapi dengan baik. Salah satu daripada ini, bakteria yang dipanggil Zobellia galactanivorans, ditemui hanya sedekad yang lalu, tetapi telah makan rumpai laut lebih lama lagi. Gambar Zobellia, berabad-abad yang lalu, tinggal di perairan Jepun pantai, duduk di atas sepotong rumput laut dan mencernainya. Tiba-tiba, dunia dicabut. Seorang nelayan mengumpul rumpai laut dan menggunakannya untuk membuat pasta nori. Keluarganya serigala ini, dan dengan berbuat demikian, mereka menelan Zobellia . Bakterium mendapati dirinya dalam persekitaran yang baru. Air garam yang sejuk telah digantikan untuk jus gastrik. Coterie biasa mikrob laut telah digantikan oleh spesies aneh dan asing. Dan kerana ia bergaul dengan orang asing yang eksotik, ia melakukan apa yang biasa dilakukan oleh bakteria ketika mereka bertemu: Ia berkongsi gennya.

Kami tahu bahawa ini berlaku kerana Jan-Hendrick Hehemann menemui satu daripada gen Zobellia dalam bakteria usus manusia yang dikenali sebagai Bacteroides plebeius . Penemuan itu adalah satu kejutan besar: apa yang ada di bumi adalah gen laut yang dilakukan di dalam usus manusia yang meragukan? Jawapannya melibatkan HGT. Zobellia tidak disesuaikan dengan kehidupan di dalam usus, jadi apabila ia naik di atas moriels nori, ia tidak melekat. Tetapi semasa tempoh singkatnya, ia dapat dengan mudah menyumbang beberapa gennya kepada B. plebeius, termasuk yang membina enzim pencernaan rumput laut yang dipanggil porphyranases.

Tiba-tiba, mikroba usus ini telah mendapat keupayaan untuk memecahkan karbohidrat unik yang terdapat di nori, dan boleh menikmati sumber tenaga eksklusif ini yang tidak dapat digunakan oleh rakan sebayanya. Hehemann mendapati bahawa ia penuh dengan gen yang mempunyai rakan sejawatan yang paling rapat di dalam mikrob marin dan bukannya dalam spesies lain yang berasaskan usus. Dengan berulang kali meminjam gen dari mikrob laut, ia telah menjadi mahir untuk mencerna sayuran laut.

B. plebeius tidak bersendirian dalam mencuri enzim marin. Orang Jepun telah makan nori begitu lama sehingga mikroba usus mereka dibumbui dengan gen pencernaan dari spesies lautan. Tidak mungkin pemindahan sedemikian masih berlaku, walaupun: Chef moden panggang dan memasak nori, membakar sebarang mikroba hitchhiking. Para pengunjung abad lalu hanya berjaya mengimport mikroba tersebut ke dalam keberanian mereka dengan memakan bahan mentah itu.

Mereka kemudiannya melepaskan mikroba usus mereka, kini dimuatkan dengan gen porphyranase rumput laut, kepada anak-anak mereka. Hehemann melihat tanda-tanda warisan yang sama berlaku hari ini. Salah seorang daripada orang yang dipelajarinya adalah seorang gadis kecil yang tidak pernah memakan sushi dalam hidupnya. Walau bagaimanapun, bakteria ususnya mempunyai gen porphyranase, sama seperti ibunya. Mikroba beliau telah mula disesuaikan untuk memakan nori.

Hehemann menerbitkan penemuannya pada tahun 2010 dan ia masih menjadi salah satu cerita mikrobiotik paling menarik di sekelilingnya. Hanya dengan makan rumput laut, pengunjung Jepun yang berabad-abad lalu telah menempah sekumpulan gen pencernaan pada pelayaran yang luar biasa dari laut ke darat. Gen-gen bergerak secara mendatar dari mikrob marin ke usus, dan kemudian secara menegak dari satu usus ke yang lain. Perjalanan mereka mungkin lebih jauh. Pada mulanya, Hehemann hanya dapat mencari gen untuk porphyranases di microbiomes Jepun dan bukan Amerika Utara. Yang kini berubah: Sesetengah rakyat Amerika jelas mempunyai gen, malah mereka yang bukan keturunan Asia.

Bagaimana ia berlaku? Adakah B. plebeius melompat dari keberanian Jepun ke Amerika? Adakah gen tersebut berasal dari mikroba marin yang lain yang menaburkan makanan yang berlainan? Welsh dan Irish telah lama menggunakan rumput laut Porphyra untuk membuat hidangan yang dipanggil laver; bolehkah mereka memperoleh porphyranases yang kemudian dibawa ke Atlantik? Buat masa ini, tiada siapa yang tahu. Tetapi pola "menunjukkan bahawa apabila gen ini melanda tuan rumah awal, di mana sahaja yang berlaku, mereka boleh menyebarkan antara individu, " kata Hehemann.

Ini adalah contoh hebat dari kelajuan penyesuaian yang diberikan oleh HGT. Manusia tidak perlu mengembangkan gen yang boleh memecahkan karbohidrat dalam rumpai laut; jika kita menelan mikroba yang mencukupi yang boleh mencerna bahan-bahan ini, ada kemungkinan bahawa bakteria kita sendiri akan "belajar" silap melalui HGT.

HGT bergantung kepada kedekatan, dan jurutera badan kami berdekatan dengan skala yang besar dengan mengumpulkan mikroba menjadi orang ramai padat. Dikatakan bahawa bandar-bandar adalah hub inovasi kerana mereka menumpukan perhatian kepada orang-orang di tempat yang sama, yang membolehkan idea dan maklumat mengalir dengan lebih bebas. Dengan cara yang sama, badan-badan haiwan adalah hub inovasi genetik, kerana ia membolehkan DNA mengalir dengan lebih bebas antara massa mikroba. Tutup mata anda, dan gambar skeins gen yang mengalir di sekitar badan anda, lulus dari satu mikroba ke yang lain. Kami adalah pasar yang sibuk, di mana peniaga-peniaga bakat menukar barangan genetik mereka.

***********

Badan-badan haiwan adalah rumah kepada banyak mikroba yang kadang-kadang, gen mereka masuk ke dalam genom kita. Dan kadang kala, gen ini memberikan tuan rumah baru mereka dengan kebolehan luar biasa.

Kumbang burger berry kopi adalah sejenis perosak yang telah memasukkan gen bakterinya ke dalam genomnya sendiri, yang membolehkan larva untuk mencerna banquets karbohidrat yang subur dalam biji kopi. Tiada serangga lain-walaupun saudara-saudara yang sangat dekat-mempunyai gen yang sama atau apa sahaja yang menyukainya; hanya bakteria sahaja. Dengan melompat ke dalam pengilang kopi purba, gen ini membenarkan kumbang yang sederhana ini untuk merebak di kawasan kopi yang berkembang di seluruh dunia dan menjadi kesakitan diraja di espresso.

Oleh itu, petani mempunyai alasan untuk mengangguk HGT-tetapi juga alasan untuk meraikannya. Bagi satu kumpulan tawon, braconids, dipindahkan gen telah membolehkan satu bentuk kawalan serangga perosak. Perempuan betina dari telur ini bertelur di dalam ulat yang masih hidup, yang muda mereka kemudian menelan hidup. Untuk memberikan grub tangan, wanita juga menyuntik ulat dengan virus, yang menekan sistem imun mereka. Ini disebut bracoviruses, dan mereka bukan sekutu tawon: Mereka adalah sebahagian daripada tawon. Gen mereka telah sepenuhnya disatukan ke dalam genom braconid, dan berada di bawah kawalannya.

Bracoviruses dijangkiti virus! Mereka bergantung sepenuhnya kepada tawon untuk pembiakan mereka. Ada yang mungkin mengatakan bahawa mereka bukan virus yang benar; mereka hampir seperti rembesan badan wasp daripada entiti mereka sendiri. Mereka mesti berasal daripada virus purba, yang gennya mengembara ke DNA braconid nenek moyang dan tinggal di sana. Penggabungan ini menimbulkan lebih daripada 20, 000 spesies braconid wasps, yang semuanya mempunyai bracovirus dalam genom mereka-sebuah dinasti besar parasit yang menggunakan virus simbiotik sebagai senjata biologi.

Haiwan lain telah menggunakan gen yang telah dialih secara melintang untuk mempertahankan diri daripada parasit. Bakteria, bagaimanapun, adalah sumber utama antibiotik. Mereka telah berperang satu sama lain selama berbilion tahun dan telah mencipta senjata senjata genetik yang luas untuk mengalahkan saingan mereka. Satu keluarga gen, yang dikenali sebagai tae, membuat protein yang menumbuk lubang di dinding luar bakteria, menyebabkan kebocoran fatal. Ini telah dibangunkan oleh mikrob yang digunakan untuk mikrob lain. Tetapi gen ini telah menemui cara mereka ke dalam haiwan. Kalajengking, tungau dan kutu mempunyai mereka. Begitu juga dengan anemoni laut, tiram, kutu air, limpet, slug laut dan juga lancelet-saudara yang sangat dekat dengan haiwan-haiwan yang kaya seperti kita.

Keluarga tae mencontohi jenis gen yang tersebar dengan mudah melalui HGT. Mereka cukup berdikari, dan tidak memerlukan pelengkap gen lain untuk melakukan tugas mereka. Mereka juga berguna secara universal, kerana mereka membuat antibiotik. Setiap benda hidup harus bertarung dengan bakteria, jadi mana-mana gen yang membolehkan pemiliknya mengawal bakteria dengan lebih berkesan akan mendapat pekerjaan yang memuaskan di seluruh pokok kehidupan. Jika ia dapat membuat lompatan itu, ia mendapat peluang yang baik untuk mewujudkan dirinya sebagai sebahagian produktif dari tuan rumah barunya. Melompat ini adalah lebih mengagumkan kerana kita manusia, dengan semua kecerdasan dan teknologi kita, berupaya positif untuk mencipta antibiotik baru. Oleh itu, kita berasa bahawa kita tidak menemui sebarang jenis baru selama beberapa dekad. Tetapi haiwan mudah seperti kutu dan anemoni laut boleh membuat mereka sendiri, dengan serta-merta mencapai apa yang kita perlukan banyak pusingan penyelidikan dan pembangunan untuk dilakukan-semua melalui pemindahan gen mendatar.

Kisah-kisah ini menggambarkan HGT sebagai daya tambahan, yang membekalkan kedua-dua mikrob dan haiwan dengan kuasa-kuasa baru yang mengagumkan. Tetapi ia juga boleh menjadi subtraktif. Proses yang sama yang membekalkan kebolehan mikrob yang berguna kepada penerima haiwan dapat membuat mikroba sendiri menjadi layu dan merosot, sampai ke titik di mana mereka hilang sepenuhnya dan hanya warisan genetik mereka tetap.

Makhluk yang paling mencontohkan fenomena ini boleh didapati di rumah hijau dan ladang di seluruh dunia, banyak kebimbangan petani dan tukang kebun. It's the mealybug sitrus: serangga sap menghisap kecil yang kelihatan seperti serpihan ketumbar berjalan atau kayu yang telah dibasahi dalam tepung. Paul Buchner, seorang sarjana simbol yang sangat rajin, telah melawat klan mealybug semasa lawatannya ke dunia serangga. Tidak ada yang mengejutkan, dia mendapati bakteria di dalam sel-sel mereka. Tetapi, lebih luar biasa, beliau juga menggambarkan '' bulat-bulat atau mengusikkan globul yang mucilaginous di mana simbol-simbol itu tertanam tebal ". Gali-gali ini melanda dalam kegelapan selama dekad hingga 2001, ketika saintis mengetahui bahawa mereka bukan hanya rumah bagi bakteri. Mereka adalah bakteria sendiri.

The mealybug sitrus adalah anak patung matryoshka yang hidup. Ia mempunyai bakteria yang hidup di dalam sel-selnya, dan bakteria tersebut mempunyai lebih banyak bakteria yang hidup di dalamnya. Bugs dalam bug dalam bug. Yang lebih besar sekarang disebut Tremblaya selepas Ermenegildo Tremblay, ahli entomologi Itali yang belajar di bawah Buchner. Yang lebih kecil dipanggil Moranella selepas aphid-wrangler Nancy Moran. ("Ia adalah sejenis perkara kecil yang menyedihkan yang akan dinamakan selepas kamu, " katanya kepada saya dengan senyuman.)

John McCutcheon telah mengusahakan asal-usul hierarki pelik ini-dan hampir tidak dapat dipercaya dalam keadaan gilirannya. Ia bermula dengan Tremblaya, yang pertama dari kedua-dua bakteria itu untuk menjajah mealybugs. Ia menjadi penduduk tetap dan, seperti banyak symbionts serangga, ia kehilangan gen yang penting untuk kewujudan hidup bebas. Di dalam lingkungan yang selesa dengan tuan rumah yang baru, ia mampu untuk mendapatkan dengan genom yang lebih diperkemas. Apabila Moranella menyertai simbiosis dua hala ini, Tremblaya mampu kehilangan lebih banyak gen, dengan jaminan bahawa ketibaan baru itu akan merosot. Di sini, HGT lebih lanjut mengenai pengungsian gen bakteria dari kapal yang terbalik. Ia memelihara gen-gen yang akan hilang dari kerosakan yang tidak dapat dielakkan yang menimbulkan genom symbiont.

Sebagai contoh, ketiga-tiga rakan kongsi bekerjasama untuk membuat nutrien. Untuk mencipta phenylalanine asid amino, mereka memerlukan sembilan enzim. Tremblaya boleh membina 1, 2, 5, 6, 7, dan 8; Moranella boleh membuat 3, 4, dan 5; dan mealybug sahaja membuat ke-9. Sama ada mealybug mahupun dua bakteria boleh membuat fenilalanin sendiri; mereka bergantung pada satu sama lain untuk mengisi jurang dalam repertoar mereka. Ini mengingatkan saya kepada Graeae mitologi Yunani: tiga adik perempuan yang berkongsi satu mata dan satu gigi di antara mereka. Apa-apa lagi akan menjadi berlebihan: Susunan mereka, walaupun ganjil, masih membolehkan mereka melihat dan mengunyah. Jadi dengan mealybug dan symbiontsnya. Mereka berakhir dengan satu rangkaian metabolik, diedarkan di antara tiga genom pelengkap mereka. Dalam aritmetik simbiosis, satu plus satu ditambah satu boleh sama dengan satu.

*********

Dunia di sekeliling kita adalah takungan raksasa bagi rakan kongsi mikroba berpotensi. Setiap suapan boleh membawa mikrob baru yang mencerna sebahagian daripada makanan kami yang tidak pernah dipecahkan, atau yang menyahtoksik racun dalam makanan yang tidak pernah dimakan sebelumnya, atau membunuh parasit yang sebelum ini menindas nombor kami. Setiap pasangan baru boleh membantu tuan rumah untuk makan lebih sedikit, perjalanan lebih jauh, bertahan sedikit lebih lama.

Kebanyakan haiwan tidak boleh menyentuh penyesuaian sumber terbuka secara sengaja. Mereka mesti bergantung pada nasib untuk mengagungkan mereka dengan rakan kongsi yang tepat. Tetapi kita manusia tidak begitu terhad. Kami adalah inovator, perancang dan penyelesai masalah. Dan kita mempunyai satu kelebihan yang besar bahawa semua haiwan lain kekurangan: Kita tahu bahawa mikroba wujud! Kami telah mencipta instrumen yang dapat melihatnya.

Kami dengan sengaja boleh membesar mereka. Kami mempunyai alat yang boleh mentafsirkan peraturan yang mengawal kewujudan mereka, dan sifat perkongsian mereka dengan kami. Dan itu memberikan kita kuasa untuk memanipulasi mereka dengan sengaja. Kita boleh menggantikan komuniti mikrob yang goyah dengan yang baru yang akan membawa kepada kesihatan yang lebih baik. Kita boleh mencipta symbiosis baru yang melawan penyakit. Dan kita boleh memecahkan pakatan lama yang mengancam nyawa kita.

Dari buku yang akan datang, saya MENYAMPAIKAN MULTIMEDIA: Mikrobiologi Dalam Kita dan Pandangan Besar Kehidupan oleh Ed Yong. Hak Cipta © 2016 oleh Ed Yong. Untuk diterbitkan pada 9 Ogos oleh Ecco, cetakan HarperCollins Publishers. Dicetak semula dengan kebenaran .

Bagaimana Mikrob Ajaib Bantu Kami Berkembang Lebih Baik, Lebih Cepat, Lebih Kukuh