כמה מיקרובים מופלאים עוזרים לנו להתפתח טוב יותר, מהיר יותר, חזק יותר

כשנולדת, ירשת את מחצית הגנים שלך מאמא ומחצית מאביך. זה החלק שלך. אותם פיסות DNA שעברו בירושה יישארו איתכם כל חייכם, ללא תוספות או מחדלים נוספים. אתה לא יכול לקבל אף אחד מהגנים שלי, ואני לא יכול לרכוש אף אחד משלך.

תוכן קשור

• אתה מה שאתה אוכל, ומה שאתה אוכל זה מיליוני מיקרובים
• דרקונים קומודו שבויים חולקים את המיקרוביומה המבעיתה שלהם עם הסביבה שלהם, ממש כמונו

אבל דמיין עולם אחר שבו חברים ועמיתים יכולים להחליף גנים כרצונם. אם לבוס שלך יש גן שגורם לה להיות עמיד בפני נגיפים שונים, אתה יכול לשאול אותו. אם לילדך יש גן שמעמיד אותו בסיכון למחלות, אתה יכול להחליף אותו לגרסה הבריאה יותר שלך. אם לקרובי משפחה רחוקים יש גן שמאפשר להם לעכל טוב יותר אוכל מסוים, הוא שלך. בעולם הזה, גנים אינם סתם ירושות שמועברים אנכית מדור לדור, אלא סחורות שיש לסחור בהן אופקית, מאדם לאדם אחר.

זה בדיוק העולם שחיידקים חיים בו. הם יכולים להחליף DNA באותה קלות שאנו עשויים להחליף מספרי טלפון, כסף או רעיונות. לעיתים, הם משתלבים זה בזה, יוצרים קישור פיזי ומעבירים פיסות DNA לרוחב המקבילה שלהם למין. הם יכולים גם לשטוף פיסות DNA שנזרקות בסביבתם, שהותירו בידי שכניהם המתים והרקבים. הם אפילו יכולים לסמוך על וירוסים שיעבירו גנים מתא לתא. ה- DNA זורם ביניהם בחופשיות כה רבה עד כי הגנום של חיידק טיפוסי משולש בגנים שהגיעו מבני גילו. אפילו זנים קשורים זה לזה יכולים להיות הבדלים גנטיים משמעותיים.

חיידקים מבצעים העברות גנים אופקיים אלה, או HGT למשך זמן קצר, במשך מיליארדי שנים. אבל רק בשנות העשרים של המאה העשרים הבינו המדענים לראשונה מה קורה. הם הבחינו כי זנים לא מזיקים של פנאומוקוקוס עלולים להתחיל לפתע לגרום למחלות לאחר שהתערבבו עם השאריות המתים והעיסה של זנים זיהומיים. משהו בתמציות שינה אותו. בשנת 1943, "מהפכן שקט" ומיקרוביולוג בשם אוסוולד אייברי הראה כי חומר טרנספורמטיבי זה היה DNA, שהזנים הלא זיהומיים ספגו ושילבו בגנום שלהם. ארבע שנים לאחר מכן, גנטיקאי צעיר בשם ג'ושוע לדרברג (שלימים ייהפך לפופולריות של המילה "מיקרוביומה") הראה כי חיידקים יכולים לסחור ב- DNA באופן ישיר יותר.

אני מכיל המונים: המיקרובים שבתוכנו וראיית חיים גדולה יותר

60 שנה ואילך, אנו יודעים כי HGT הוא אחד ההיבטים העמוקים ביותר בחיי החיידקים. זה מאפשר לחיידקים להתפתח במהירות שלפוחית ​​השתן. כאשר הם מתמודדים עם אתגרים חדשים, הם אינם צריכים לחכות למוטציות הנכונות כדי לאט לאט להתעכב בתוך ה- DNA הקיים שלהם. הם יכולים פשוט לשאול התאמות בסיטונאות, על ידי איסוף גנים מהעוברי אורח שכבר הסתגלו לאתגרים העומדים לרשותם. גנים אלה כוללים לרוב ערכות אוכל לפירוק מקורות אנרגיה בלתי מנוצלים, מגנים המגנים מפני אנטיביוטיקה או ארסנים להדבקת מארחים חדשים. אם חיידק חדשני מתפתח אחד מהכלים הגנטיים הללו, שכניו יכולים להשיג את אותן התכונות במהירות. תהליך זה יכול לשנות באופן מיידי חיידקים מתושבי מעיים לא מזיקים למפלצות הגורמות מחלות, מג'קילס שלווים להיידים מזיקים.

הם יכולים גם להפוך פתוגנים פגיעים שקל להרוג אותם ל"סופרגים "מסויטים שמושכים את עצמם אפילו מהתרופות החזקות ביותר שלנו. התפשטותם של חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה היא ללא ספק אחד האיומים הגדולים ביותר לבריאות הציבור של המאה ה -21, והיא מעידה על כוחו הבלתי מרוסן של HGT.

בעלי חיים לא כל כך מהירים. אנו מסתגלים לאתגרים חדשים בדרך האטית והיציבה הרגילה. אנשים עם מוטציות שמשאירים אותם הכי מתאימים לאתגרי החיים נוטים יותר לשרוד ולהעביר את המתנות הגנטיות שלהם לדור הבא. עם הזמן, מוטציות שימושיות הופכות נפוצות יותר, בעוד שמזיקות מתפוגגות. זוהי בחירה טבעית קלאסית - תהליך איטי ויציב המשפיע על אוכלוסיות ולא על אנשים. נצים של הורנט ובני אדם עשויים לצבור בהדרגה מוטציות מועילות, אך הצרעה האישית הזו, או הנץ הספציפי הזה, או בני האדם הספציפיים האלה לא יכולים להרים גנים מועילים לעצמם.

למעט לפעמים הם יכולים. הם יכולים להחליף את החיידקים הסימביוטיים שלהם, ולרכוש באופן מיידי חבילה חדשה של גנים חיידקים. הם יכולים להביא חיידקים חדשים במגע עם אלו שבגופם, כך שגנים זרים נודדים למיקרוביומה שלהם, וגורמים לחיידקים הילידים שלהם יכולות חדשות. במקרים נדירים אך דרמטיים הם יכולים לשלב גנים מיקרוביאלים בגנום שלהם.

עיתונאים נלהבים לפעמים אוהבים לטעון כי HGT מאתגר את השקפתו של דרווין באבולוציה, בכך שהוא מאפשר לאורגניזמים לברוח מעריצות הירושה האנכית. ("דרווין טעה", הכריזה כיסוי מדען חדש לשמצה - שלא בצדק.) זה לא נכון. HGT מוסיף וריאציה חדשה לגנום של בעל חיים, אך ברגע שגנים קופצים אלו מגיעים לבתיהם החדשים, הם עדיין נתונים לבחירה טבעית טובה.

אלה מזיקים מתים יחד עם מארחיהם החדשים, ואילו מועילים מועברים לדור הבא. זה דרוויניסטי קלאסי כמו שהוא מקבל - וניל בטעמו ויוצא דופן רק במהירות שלו. על ידי שיתוף פעולה עם חיידקים, אנו יכולים להאיץ את האדיאגו האיטי והמכוון של המוזיקה האבולוציונית שלנו לאלגרו החי והמתוח שלהם.

**********

לאורך חופי יפן, אצה שחומה-אדמדמה נצמדת לסלעים סחופים בגאות. זהו פורפירה, הידוע יותר בשם נורי, והוא ממלא קיבות יפניות במשך למעלה מ -1, 300 שנה. בהתחלה אנשים טחנו אותו לעיסה אכילה. מאוחר יותר הם שיטחו אותו לסדינים, אותם עטפו סביב פיסות סושי. תרגול זה נמשך גם היום והפופולריות של נורי התפשטה בכל רחבי העולם. ובכל זאת, יש לזה קשר מיוחד ליפן. המורשת הארוכה של צריכת נורי במדינה הותירה את תושביה מצוידים במיוחד לעיכול ירק הים. אין לנו אנזימים שיכולים לפרק את האצות, וגם לא רוב החיידקים במעיים שלנו.

אבל הים מלא במיקרובים מאובזרים טוב יותר. אחד מהם, חיידק בשם Zobellia galactanivorans, התגלה רק לפני עשור, אך אכל אצות זמן רב. תארו את זובליה לפני מאות שנים, חיה במים יפניים בחוף, יושבת על חתיכת אצות ומעכלת אותה. לפתע עולמו נעקר. דייג אוסף את האצות ומשתמש בה להכנת ממרח נורי. משפחתו זבזת את הפיסות הללו, ובכך היא בולעת את זובליה . החיידק מוצא את עצמו בסביבה חדשה. מי מלח קרים החליפו מיצי קיבה. הקוטרי הרגיל שלה של חיידקים ימיים הוחלף במינים מוזרים ולא מוכרים. וכשזו מתערבבת עם זרים אקזוטיים אלה, היא עושה את מה שהחיידקים עושים בדרך כלל כשהם נפגשים: היא חולקת את הגנים שלה.

אנו יודעים שזה קרה מכיוון שג'אן-הנדריק היימן גילה את אחד הגנים של זובליה בחיידק מעי אנושי בשם Bacteroides plebeius . התגלית הייתה הלם מוחלט: מה, לכל הרוחות, עשה גן ימי במעיים של אדם שופף אדמה? התשובה כוללת HGT. זובליה לא מותאמת לחיים במעיים, אז כשנכנסה פנימה על נורי נורי, היא לא הסתובבה במקום. אך במהלך כהונתו הקצרה הוא יכול היה בקלות לתרום חלק מהגנים שלו ל B. plebeius, כולל כאלה שבונים אנזימים המעכלים אצות הנקראים פורפירנאזים.

לפתע, חיידק המעיים צבר את היכולת לפרק את הפחמימות הייחודיות שנמצאו בנורי, ויכול היה לחגוג על מקור אנרגיה בלעדי זה שעמיתיו לא יכלו להשתמש בו. ההמן מצא כי הוא מלא בגנים שמקביליהם המקבילים קיימים במיקרובים ימיים ולא במינים אחרים מבוססי בטן. על ידי שאילת גנים שוב ושוב ממיקרובי ים, הוא הפך מיומן לעיכול ירקות ים.

B. plebeius אינו לבד בגניבת אנזימים ימיים. היפנים אוכלים נורי כל כך הרבה זמן עד שמיקרובי הבטן שלהם מפוצצים בגנים מעיכול ממינים אוקיאניים. עם זאת, לא סביר שהעברות כאלה עדיין נמשכות: שפים מודרניים צולים ומבשלים את נורי ומשרפים כל חיידקים בטרמפים. הסועדים של מאות שנים בלבד הצליחו לייבא חיידקים כאלה למעיים שלהם על ידי אכילת החומר נא.

לאחר מכן העבירו לילדיהם את חיידקי המעיים שלהם, עמוסים עכשיו בגנים של פורפירנאז עם אצות. ההמן ראה סימנים של אותה ירושה שקורה היום. אחד האנשים שלמד היה תינוקת לא מנוקה, שמעולם לא אכלה בפה מלא סושי בחייה. ובכל זאת, לחיידקי המעיים שלה היה גן פורפירנאז, ממש כמו של אמה. המיקרובים שלה הגיעו מותאמים מראש לטרוף נורי.

האהמן פרסם את תגליתו בשנת 2010 והוא נותר אחד מסיפורי המיקרוביומה הבולטים סביב. פשוט על ידי אכילת אצות, הסועדים היפנים של מאות שנים עברו להזמין קבוצה של גנים עיכול למסע מדהים מהים ליבשה. הגנים עברו בצורה אופקית ממיקרובים ימיים לאלה של מעי, ואז אנכית ממעיים אחד למשנהו. יתכן שנסיעותיהם הרחיקו לכת. בתחילה, יכול היה ההמן למצוא את הגנים לפורפירנזים במיקרוביומות יפניות ולא בצפון אמריקה. זה השתנה כעת: ברור שיש אמריקנים שיש להם את הגנים, אפילו כאלה שאינם ממוצא אסייתי.

איך זה קרה? האם ב 'פלביוס קפץ מהמעיים היפניים לאמריקאים? האם הגנים הגיעו ממיקרובים ימיים אחרים שגוררים על סיפונה של מזונות שונים? הוולשים והאירים השתמשו זה מכבר באצות פורפיר כדי להכין מנה שנקראת מכבסה; האם הם היו יכולים לרכוש פורפירנזות שנשאו אז מעבר לאוקיאנוס האטלנטי? לעת עתה, איש אינו יודע. אולם התבנית "מרמזת שברגע שגנים אלה יפגעו במארח הראשוני, בכל מקום שזה יקרה, הם יכולים לפזר בין פרטים", אומר הימן.

זו דוגמה מפוארת למהירות ההסתגלות שמקנה HGT. בני אדם אינם צריכים להתפתח גן שיכול לפרק את הפחמימות באצות; אם נבלע מספיק חיידקים שיכולים לעכל את החומרים האלה, יש סיכוי רב שהחיידקים שלנו "ילמדו" את הטריק דרך HGT.

HGT תלוי בסמיכות, וגופנו מהנדס קרבה בקנה מידה עצום על ידי איסוף חיידקים לקהל צפוף. נאמר כי ערים הן מרכזי חדשנות מכיוון שהן מרכזות אנשים באותו מקום ומאפשרות לרעיונות ומידע לזרום באופן חופשי יותר. באותו אופן, גופי בעלי חיים הם רכזות של חדשנות גנטית, מכיוון שהם מאפשרים ל- DNA לזרום באופן חופשי יותר בין המוני חיידקים מכוסים. עצמם את העיניים, ותמונות ניבוקים של גנים המשחילים את דרכם בגופכם, עברו ממיקרוב אחד למשנהו. אנחנו שוקקים שוקקים, שבהם סוחרי חיידקים מחליפים את מרכולתם הגנטית.

***********

גופי בעלי חיים הם ביתם של כל כך הרבה חיידקים שמדי פעם הגנים שלהם מפנים את דרכם לגנום שלנו. ולפעמים, הגנים הללו מעניקים למארחים החדשים שלהם יכולות מדהימות.

החיפושית המשעממת של גרגרי הקפה היא מזיק ששילב גן חיידקי בגנום עצמו, המאפשר לזחלים שלו לעכל את נשמי הפחמימות השופעים בתוך פולי הקפה. לאף חרק אחר - אפילו לא קרובי משפחה קרובים במיוחד - אין אותו גן או משהו דומה לו; רק חיידקים עושים. על ידי קפיצה למברחת קפה עתיקה, הגן אפשר לחיפושית הבלתי מעורערת הזו להתפשט על אזורים מגדלי קפה ברחבי העולם ולהפוך לכאב מלכותי באספרסו.

לחקלאים, אם כן, יש סיבות לתעב את HGT - אך גם סיבות לחגוג אותה. עבור קבוצה אחת של צרעות, הברקונידים, הגנים שהועברו אפשרו צורה ביזארית של הדברה. הנקבות של הצרעות הללו מטילות את ביציהן בזחלים שעדיין חיים, שהצעירות שלהן טורפות אותן בחיים. כדי לתת יד לזחזות, הנקבות מזריקות לירוסים ווירוסים, המדכאים את מערכת החיסון שלהם. אלה נקראים ברקובירוסים, והם אינם רק בעלי ברית של הצרעות: הם חלק מהצרעות. הגנים שלהם השתלבו לחלוטין בגנום הברקונידי, ונמצאים בשליטתו.

הברקובירוסים הם נגיפים מבויתים! הם תלויים לחלוטין בצרעות להתרבותם. יש שיגידו שהם לא נגיפים אמיתיים. הם כמעט כמו הפרשות של גוף הצרעה ולא ישויות בפני עצמם. הם ככל הנראה ירדו מנגיף קדום, שגנו סחף את דרכו אל ה- DNA של ברקוניד אבות ונשאר שם. מיזוג זה הוליד למעלה מ 20, 000 מינים של צרעות ברקונידיות, שבכולם יש ברקובירוסים בגנום שלהם - שושלת אדירה של טפילים המשתמשת בנגיפים סימביוטיים כנשק ביולוגי.

בעלי חיים אחרים השתמשו בגנים שהועברו בצורה אופקית כדי להגן על עצמם מפני טפילים. אחרי הכל, חיידקים הם המקור האולטימטיבי לאנטיביוטיקה. הם היו במלחמה זה עם זה מיליארדי שנים והמציאו ארסנל נרחב של נשקים גנטיים כדי להכות את יריביהם. משפחה אחת של גנים, המכונה טיי, מייצרת חלבונים הנוקבים חורים בקירות החיצוניים של חיידקים, וגורמים לדליפות קטלניות. אלה פותחו על ידי חיידקים לשימוש כנגד חיידקים אחרים. אבל גם הגנים האלה מצאו את דרכם אל בעלי החיים. עקרבים, קרדית וקרציות יש להם. כך גם כלניות ים, צדפות, פרעושים מים, צלעות, שבלולי ים ואפילו הלונדלטה - קרוב קרוב מאוד לבעלי חיים בעלי גבה כמונו.

משפחת הטה מדגימה את סוג הגנים שמתפשטים בקלות רבה דרך HGT. הם מספקים את עצמם ואינם זקוקים לצוות תומך של גנים אחרים כדי לבצע את עבודתם. הם גם שימושיים אוניברסלית, מכיוון שהם מייצרים אנטיביוטיקה. כל דבר חי צריך להתמודד עם חיידקים, כך שכל גן המאפשר לבעליו לשלוט בחיידקים בצורה יעילה יותר ימצא תעסוקה רווחית לאורך כל עץ החיים. אם זה יכול לעשות את הקפיצה, יש לו סיכוי טוב לבסס את עצמו כחלק יצרני מהמארח החדש שלו. הקפיצות הללו מרשימות יותר מכיוון שאנו בני האדם, עם כל האינטליגנציה והטכנולוגיה שלנו, נאבקים באופן חיובי על יצירת אנטיביוטיקה חדשה. אנחנו כל כך מנוגדים עד שאנחנו לא גילינו סוגים חדשים מזה עשרות שנים. אבל בעלי חיים פשוטים כמו קרציות וכלניות ים יכולים לייצר את שלהם ולהשיג באופן מיידי את מה שאנחנו צריכים לעשות הרבה סיבובים של מחקר ופיתוח - הכל באמצעות העברת גנים אופקיים.

סיפורים אלה מציגים את ה- HGT ככוח תוסף, המשרה חיידקים ובעלי חיים בכוחות חדשים ומופלאים. אבל זה יכול להיות גם חסיר. אותו תהליך המעניק יכולות מיקרוביאליות מועילות למקבלי בעלי חיים יכול להפוך את החיידקים עצמם לנבול ולהירקב, עד כדי כך שהם נעלמים לחלוטין ורק מורשתם הגנטית שלהם נותרה.

את היצור שמדגים בצורה הטובה ביותר תופעה זו ניתן למצוא בחממות ובשדות ברחבי העולם, הרבה למגינת לבם של חקלאים וגננים. זה קמח החלב הדרים: חרק קטן מוצץ מוהל שנראה כמו פתית קשקשים מהלכת או סלע עץ שנאבק בקמח. פול בוכנר, אותו מלומד סופר חרוץ של סימביונים, ביקר בבני שבט הכבד בסיבוב הופעותיו בעולם החרקים. להפתעתו של איש, הוא מצא חיידקים בתאים שלהם. אבל באופן חריג יותר, הוא גם תיאר כדורים ריריים עגולים או ארוכים שבהם הסימביונים משובצים בעובי רוח. " הכדורות הללו דעכו באפלוליות במשך עשרות שנים עד 2001, אז נודע למדענים שהם לא רק בתים לחיידקים. הם היו חיידקים בעצמם.

סוס החלב הדרים הוא בובת מטריושקה חיה. יש בו חיידקים החיים בתאים שלו, ובחיידקים האלה יש יותר חיידקים החיים בתוכם. באגים בתוך באגים בתוך באגים. הגדול יותר נקרא כיום טרמבלייה על שם ארמניגילו טרמבליי, אנטומולוג איטלקי שלמד תחת בוכנר. זו הקטנה יותר נקראת מורנלה על שם המתפלל כנימות ננסי מורן. ("זה סוג של דבר קטן עלוב שנקרא על ידך, " אמרה לי בחיוך.)

ג'ון מקוצ'און פיתח את מקורותיה של ההיררכיה המוזרה הזו - וזה כמעט לא ייאמן בפיתולים שלה. זה מתחיל ב- Tremblaya, הראשון מבין שני החיידקים המתיישב בכברי-בר. זה הפך לתושב קבע, וכמו סימביוטי חרקים רבים, הוא איבד גנים שהיו חשובים לקיום חופשי. במתחם הנעים של המארח החדש שלה, הוא יכול היה להרשות לעצמו להסתדר עם גנום יעיל יותר. כאשר מורנלה הצטרפה לסימביוזה דו כיוונית זו, טרמבלייא יכול היה להרשות לעצמו לאבד עוד יותר גנים, בערבות שההגעה החדשה תביא את הרפיון. כאן, HGT עוסק יותר בפינוי גנים חיידקים מספינה מכוסה. היא משמרת גנים שאחרים יאבדו לריקבון הבלתי נמנע הפוגע בגנומים סימביוניים.

לדוגמה, שלושת השותפים משתפים פעולה כדי לייצר חומרים מזינים. כדי ליצור את חומצת האמינו פנילאלנין, הם זקוקים לתשעה אנזימים. Tremblaya יכול לבנות 1, 2, 5, 6, 7 ו- 8; מורנלה יכולה להכין 3, 4 ו- 5; והחלבון לבד הופך את התשיעי. לא החלבון ולא שני החיידקים יכולים לייצר פנילאלנין בעצמם; הם תלויים זה בזה בכדי למלא את החסר ברפרטואר שלהם. זה מזכיר לי את Graeae של המיתולוגיה היוונית: שלוש האחיות שחולקות עין אחת ושן אחת ביניהן. כל דבר אחר יהיה מיותר: הסידור שלהם, אם כי משונה, עדיין מאפשר להם לראות וללעוס. כך זה עם הכרכוב והסימביונים שלו. הם סיימו רשת מטבולית אחת, שהופצה בין שלושת הגנומים המשלימים שלהם. בחשבון של סימביוזה, אחד פלוס אחד פלוס אחד יכול להיות שווה לזה.

*********

העולם סביבנו הוא מאגר ענק של שותפים מיקרוביאלים פוטנציאליים. כל פיה יכולה להביא חיידקים חדשים המעכלים חלק בלתי נפרד בעבר מהארוחות שלנו, או שמגזים את הרעלים במזון שלא היה אכיל בעבר, או שהורגים טפיל שהכחיש בעבר את המספרים שלנו. כל בן זוג חדש עשוי לעזור למארח שלו לאכול עוד קצת, לנסוע עוד קצת, לשרוד עוד קצת.

רוב בעלי החיים אינם יכולים להתחבר לעיבודים אלה של קוד פתוח בכוונה. עליהם לסמוך על מזל שיעניק להם את בני הזוג הנכונים. אבל אנו בני האדם לא כל כך מוגבלים. אנו מחדשים, מתכננים ופתרונות בעיות. ויש לנו יתרון ענק אחד שכל שאר בעלי החיים חסרים: אנו יודעים שיש חיידקים! תכננו מכשירים שיכולים לראות אותם.

אנו יכולים לגדל אותם בכוונה. יש לנו כלים שיכולים לפענח את הכללים השולטים בקיומם, ואת אופי השותפויות שלהם אתנו. וזה נותן לנו את הכוח לתפעל בשותפויות אלה בכוונה. אנו יכולים להחליף קהילות מקרטעות של חיידקים בחדשים שיובילו לבריאות טובה יותר. אנו יכולים ליצור סימביוסים חדשים הנלחמים במחלות. ואנחנו יכולים לשבור בריתות עתיקות שמאיימות על חיינו.

מהספר הקרוב אני מכיל רב-תרופות: המיקרובים שבתוכנו ומבט חיים גדול יותר מאת אד יונג. זכויות יוצרים © 2016 מאת אד יונג. יפורסם ב -9 באוגוסט על ידי Ecco, חותם של הוצאת HarperCollins. הודפס מחדש באישור .