W naturalnych warunkach ludzie nie potrafią wymieniać się genami, ale wśród mikroorganizmów to powszechna praktyka, bez której życie, jakie znamy, nie mogłoby istnieć.

Kawałki DNA przeskakują z bakterii na bakterię, fruwają ukryte w wirusach lub dryfują swobodnie, a kto zgodzi się je przygarnąć, ten może w zamian otrzymać przydatną cechę czy zdolność.

Kiedy mam czasem okazję podziwiać nowo narodzone dziecko moich znajomych, zazwyczaj rzuca mi się w oczy, że choć człowiek w tym momencie rozwojowym przypomina przede wszystkim po prostu innego noworodka, to mimo wszystko dostrzec można w rysach jego twarzy delikatne podobieństwo do obojga rodziców. Dziedziczenie genów – myś­lę sobie wtedy – jest niczym dziedziczenie majątku. Z pokolenia na pokolenie dostaje nam się w spadku tyle bogactwa, ile udało się zdobyć naszym przodkom (minus podatek). Analogicznie kolejne generacje otrzymują takie geny, jakimi rozporządzali rodzice (plus mutacje). Mechanizm dziedziczenia jest prosty i działa tylko w jedną stronę. Jest też, co ważne, powszechny. Właś­ciwie wszystkie organizmy – niezależnie od tego, czy rozmnażają się płciowo, czy bezpłciowo – przekazują swój genotyp potomstwu jako molekularny spadek.Ta fiskalna metafora nabierze rumieńców, gdy rozszerzymy ją na inne mechanizmy obecne w dzisiejszej ekonomii: od nabywania własności intelektualnej przez łączenie się firm i spółek aż po zakup ruchomości i nieruchomości. Okazuje się, że w cudzie biologii można napotkać identyczne sytuacje: geny, podobnie jak włas­ność, wcale nie muszą być przekazywane wyłącznie z rodziców na dzieci. Zanim jednak opiszemy te inne drogi wędrówki DNA, trzeba powiedzieć parę zdań o tym, czym jest materiał genetyczny i co go motywuje do istnienia w tym świecie.

Okiem genomu

Materiał genetyczny jest przede wszystkim cząsteczką chemiczną, tak jak człowiek jest przede wszystkim zwierzęciem. Składniki koktajlu proteinowego oraz oczka tłuszczu na powierzchni rosołu też są cząstkami chemicznymi, ale różnią się one od DNA swoim zachowaniem. O ile białko czy tłuszcz można uznać za biernych uczestników metabolizmu, ponieważ trafiają tam, gdzie mają spełnić swoją funkcję, i raczej nic więcej ich nie obchodzi, o tyle materiał genetyczny jawi się jako aktywny bohater, który nie dość, że troszczy się o samego siebie, to jeszcze ma interes w dbaniu o całokształt swojego miejsca zamieszkania, czyli organizmu. Na tego rodzaju punkt widzenia nakierowują nas prace takich ewolucjonistów jak Richard Dawkins, którego książka Samolubny gen podpowiada, że geny nie są tylko recepturami ważnych dla organizmu białek, lecz także w specyficzny sposób same kształtują własny los: działają tak, by przedłużyć swoje istnienie. Coś, co już raz zaczęło żyć, zrobi wszystko, by taki stan rzeczy utrzymać. W tym celu materiał genetyczny tworzy dookoła siebie to, co Darwin w swoim najbardziej znanym dziele nazwał „nieskończonymi formami, najpiękniejszymi i najcudowniejszymi, które dalej się rozwijają”, a my w skrócie możemy określić jako organizmy podlegające prawom ewolucji. Potraktujmy więc wszelkie ciało, każdy organizm – i ten wielki, i ten jednokomórkowy – jako narośl dookoła materiału genetycznego. Coś na kształt arki niosącej DNA po wzburzonym morzu środowiska.

Informacja

Z ostatniej chwili! To pierwsza z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Na początek weźmy na warsztat nosiciela DNA naszego gatunku, czyli homo sapiens. To forma z pewnością cudowna. Może biegać, ma przeciwstawne kciuki, potrafi tworzyć sztukę i cywilizację, a także zmienia środowisko, w którym żyje, na swoją korzyść i niekorzyść. Imponujące prawda? Ale jeśli przyjrzymy się sprawie z perspektywy molekularnej i rozpatrzymy ludzki materiał genetyczny jako głównego beneficjenta naszego trwania, to stanie się jasne, że wcale nie jest on aż tak uprzywilejowany. Doomsday clock (Zegar zagłady) straszy nadchodzącą katastrofą, a ludzkie ciało jest niemal niezdolne do przeżycia poza wygodnym kocykiem technologii i kultury. Genom homo sapiens jest prekariuszem, którego przetrwanie zależy od zdrowego rozsądku jego własnego nośnika oraz kaprysów planety i kosmosu. Wystarczy jeden intensywniejszy rozbłysk gamma czy asteroida wystrzelona z grawitacyjnej procy, by odwołać cywilizację i odesłać ludzkie DNA na cmentarz form wspaniałych – choć należących już do przeszłości.

Jako alternatywę rozpatrzmy genom Escherichia coli, czyli najlepiej opisanej bakterii świata. Już w pojedynczym ludzkim ciele bywa reprezentowany w miliardach kopii, a jego zdolność przystosowania się przez zmienność jest nieporównywalnie większa niż genomu ludzkiego. Zmienność stanowi tutaj kluczową cechę, ponieważ w życiu nie chodzi przecież o to, by zawsze pozostać takim samym. Pociąg zwany ewolucją pędzi i nie ogląda się za siebie, a jak podszeptuje Czerwona Królowa z Przygód Alicji w Krainie Czarów. O tym, co Alicja odkryła po drugiej stronie lustra: „Tutaj […], aby utrzymać się w tym samym miejscu, trzeba biec ile sił” (tłum. Maciej Słomczyński). Każdy materiał genetyczny chce żyć i trwać, musi więc być elastyczny w swojej formie, aby dostosować się do stale zmieniającego się otoczenia. Przy takim genomocentrycznym spojrzeniu oczywiste staje się, że DNA bakterii znajduje się w znacznie lepszej sytuacji: od 3 mld lat grzeje się na etacie, a jego fundusz emerytalny przewyższa gospodarkę niejednego kraju.

Chociaż bakteryjna arka jest mniejsza niż organizm homo sapiens, to okazuje się zarazem większa, bardziej skomplikowana i samodzielna niż byty, w których gospodarzą niektóre inne genomy. Spójrzmy choćby na wirusa – jego także można sprowadzić do materiału genetycznego, który buduje dookoła siebie otoczkę pozwalającą kontynuować mu prastary cykl zakażania, namnażania i rozrywania ciał nosicieli. Ale istnieją cząstki DNA jeszcze krótsze, które nie zawierają informacji potrzebnej do zbudowania choćby pojedynczej deski, a co dopiero całej arki. Im również przyznać można wolę mocy i przetrwania, taką samą, jaką przypisujemy uciekającemu przed gepardem genomowi gazeli czy liścieniom cebuli windującym się ku życiodajnemu słońcu. Wszystkie te materiały genetyczne chcą trwać, kopiować się i zajmować coraz to nowe ciała: własne, pożyczone, skradzione albo zasiedlone jedynie na czas przejażdżki, jak czynią to plazmidy.

Komórkowy autostop

Plazmidy to koliste cząstki dwuniciowego DNA, często spotykane w komórkach bakteryjnych. Porównać je można do autostopowiczów zabranych w podróż przez łaskawych kierowców ciężarówki. Na ich tle genomy bakterii są ogromne i zawierają praktycznie wszelkie niezbędne do przetrwania organizmu geny – odpowiedzialne za metabolizm, kopiowanie i naprawianie materiału genetycznego, komunikację między zaprzyjaźnionymi komórkami itp. W sprzyjających warunkach środowiskowych można bakterię pozbawić zawartych w niej plaz­midów, a fakt ten nie zmieni nazbyt jakości jej życia. Inaczej ma się sprawa w warunkach, które dla bakterii są wyzwaniem – wtedy obecność plazmidu mogłaby okazać się sprawą życia i śmierci.

Oto przykład. Bakteria w swoim genomie może zawierać geny kodujące enzymy trawiące glukozę, ale geny odpowiedzialne za metabolizm laktozy mogą już znajdować się na dryfującym w jej ciele plazmidzie. Dopóki w zajętej przez bakterię niszy ekologicznej obecna jest glukoza, plazmid nie będzie potrzebny. Organizm wykorzysta enzymy zakodowane w genomie, by żywić się łatwym do strawie­nia cukrem. Gdy jednak glukoza się wyczerpie, a bakteryjny brzuszek zacznie burczeć, niezbędne stanie się uruchomienie produkcji enzymów zdolnych do rozkładu innych źródeł pożywienia – w tym przypadku laktazy. A jeśli umiejętność przetwarzania laktozy zakodowana jest nie w genomie, lecz na plazmidzie, wówczas jedynie bakterie zawierające ten plazmid będą zdolne do zmiany przyzwyczajeń kulinarnych. I nie minie wiele czasu, a organizmy bez plazmidu umrą z głodu, podczas gdy ich lepiej wyposażone siostry będą prosperować. Okazuje się zatem, że bakteria, która zdecydowała się zabrać autostopowicza, otrzymała przy okazji przepustkę pozwalającą jej przejechać przez punkt kontrolny, jakim jest presja środowiska.

Warto więc zabierać pasażerów, tylko gdzie ich znaleźć? Najbardziej oczywistym sposobem jest dziedziczenie ich po rodzicu. Komórki bakteryjne tworzą kopie goszczących w nich plazmidów, a kiedy potem się rozmnażają, czyli dzielą na pół, rozdzielają je po równo między komórki potomne. Taki transfer genów nazywamy wertykalnym, ponieważ odbywa się w górę drzewa genealogicznego.

Istnieje jednak również horyzontalny transfer genów – HGT (horizontal gene transfer). To taki styl przekazywania dóbr, który nie odbywa się między rodzicami a potomstwem w wyniku spadku, ale między dwoma sąsiadami wskutek umowy. Z perspektywy samych plazmidów jest to oczywiście zdecydowanie pożądane. Nie muszą one czekać na podział komórki, aby się rozprzestrzeniać. Zamiast tego część z nich migruje do nowego pojazdu i tam kontynuuje swoje trwanie, jednocześnie umożliwiając kierowcy przekraczanie kolejnych punktów kontrolnych.

I plazmid, i kierowca zyskują na HGT. Nic więc dziwnego, że oba te podmioty wypracowały sobie systemy, które zwiększają prawdopodobieństwo przeskoku autostopowicza. Najlepszym przykładem są plazmidy F (literka F pochodzi od angielskiego fertility oznaczającego płodność, plenność lub mnożność). Zawierają one geny, które umożliwiają bakterii wytworzenie pilusa – tuneliku pomiędzy komórkami. Gdy bakteria niosąca taki plazmid napotka na swojej drodze inną bakterię, może nastąpić koniugacja, czyli wytworzenie się między nimi połączenia. Poprzez pilus do nowej bakterii ma szansę przeniknąć plazmid F, lecz nie tylko. Choć większość plazmidów nie zawiera genów odpowiedzialnych za wytwarzanie tuneliku, może towarzyszyć plazmidowi F podczas przeskoku: niektórzy autostopowicze chowają się za plecami innych autostopowiczów i chociaż sami nie machają przy drodze kciukiem, chętnie korzystają z transportu przy okazji.

Pasażer, który zapewnia kierowcy miłą rozmowę i przewagę ewolucyjną, może liczyć na dłuższą podwózkę. Co więcej, jeśli wystarczy czasu, a warunki będą sprzyjające, może zajść włączenie kopii plazmidu lub jego fragmentu do genomu. W ten sposób kierowca zyska przepustkę na stałe. I dopiero w takiej sytua­cji mamy do czynienia z prawdziwym HGT, ponieważ plazmid, który nie wbudował się w genom nosiciela, może zawsze zostać w jakiś sposób utracony lub nieprzekazany komórkom potomnym. A włączony w genom bakterii staje się z nią jednoś­cią – potomstwo kierowcy odziedziczy uprawnienia, które otrzymał od autostopowicza rodzic.

Podróże z wirusem

Koniugacja wymaga kontaktu dawcy i biorcy materiału genetycznego, co ogranicza jej częstotliwość. Nawet w świecie bakterii trudno umówić się na spotkanie. Istnieje jednak sposób przerzucania materiału genetycznego, który nie wymaga sąsiedztwa zaangażowanych bytów. Proces ten nosi nazwę transdukcji, a wykonawcą – czy raczej znów kierowcą – jest wirus, który chociaż chce się reprodukować, nie potrafi zrobić tego na własną rękę. Rozmnożyć się może jedynie wewnątrz zainfekowanej komórki.

Gdy wehikuł bakteriofaga, czyli zakażającego bakterie wirusa, przytwierdzi się do bakterii, jego materiał genetyczny zostaje wstrzyknięty do jej wnętrza. Może teraz podążyć dwiema ścieżkami. Albo wbuduje się w genom bakterii i tam, niczym przyczajony tygrys, będzie czekać na sprzyjające warunki środowiskowe, albo bez zwłoki zatrudni maszynerię replikacyjną gospodarza do rozmnażania się. Jeś­li wybierze drugą opcję, a kiszka komórki pełna już będzie kopii genomu wirusa i części składowych jego pojazdów, czyli kapsydów, nastąpi finalny (dla zakażonej komórki) etap: wirusowe DNA wsiądzie do swoich wehikułów, a komórka pęknie, uwalniając do środowiska nowe wirusy, które zaczną szukać kolejnych ofiar.

Rzecz w tym, że etap pakowania wirusowego DNA do kapsydów odbywa się w momencie, gdy zakażona komórka nie czuje się już zbyt dobrze, czego skutkiem może być uszkodzenie jej własnego materiału genetycznego. Jeśli jest on pofragmentowany, może się zdarzyć tak, że któryś z kawałków bakteryjnego DNA zostanie przypadkiem upakowany do wehikułu razem z DNA wirusa, a powstała w ten sposób mieszanka genetyczna ruszy w świat. Fenomen ten jest dosyć częsty, ale też bardzo losowy i za nic w świecie nie sposób przewidzieć, który z fragmentów bakteryjnego DNA zostanie pasażerem na gapę.

Inaczej ma się sprawa, jeśli po wniknięciu do komórki wirus zdecyduje się na przeczekanie i wklei się do genomu gospodarza. Gdy potem będzie chciał się z tego genomu wyciąć, możliwe, że zabraknie mu precyzji i przy okazji wykroi kawałki bakteryjnego genomu, między którymi się czaił. A kiedy zacznie się mnożyć, te fragmenty również będą replikowane. Tak czy owak, bakteryjne geny ruszają w świat i gdy tylko wirus zainfekuje kolejną bakterię, zostaną one do niej wprowadzone wraz z nim. Jeśli złoży się tak, że bakteria przezwycięży wirusa, to będzie ona bogatsza o resztki swojej poprzedniczki. W przypadku gdy kawałki te kodują jakąś ciekawą informację, istnieje szansa, że nauczy się ona nowej umiejętności. A jeśli informacja nie jest ciekawa lub nie uda się jej wkleić do genomu? Cóż, DNA to przede wszystkim cząstka chemiczna, którą można też rozłożyć na części składowe i włączyć do swojego metabolizmu – czyli po prostu zjeść.

Istnieje jeszcze jeden mechanizm horyzontalnego transferu genów i chociaż nosi nobilitującą nazwę „transformacja”, przypomina raczej zbieractwo. W dużym skrócie jest to podejmowanie przez komórkę materiału genetycznego, który ktoś rozrzucił po okolicy. Znaleziska mogą pochodzić z martwych komórek albo z wirusów, którym zabrakło szczęścia w poszukiwaniach ofiary. Taki materiał genetyczny, w przeciwieństwie do plaz­midu, nie ma żadnej możliwości inicjatywy – wszystko zależy od bakterii, a właś­ciwie od tego, czy jest ona wyposażona w wyspecjalizowany system wyłapywania i wciągania DNA z otaczającego środowiska. Jeżeli tego systemu nie ma, to w warunkach laboratoryjnych można komórkę zmusić do większej otwartości, brutalnie dziurawiąc jej zewnętrzne warstwy. Przez powstałe otwory materiał genetyczny wniknie do środka, a bakteria naprawi uszkodzenia i wyzdrowieje.

Dar fotosyntezy

A skoro już mówimy o warunkach laboratoryjnych, to powiedzmy też, że dla dzisiejszej biotechnologii HGT jest narzędziem nieocenionym. Dziecinnie proste jest wklejenie interesującego nas genu do plazmidu i podsunięcie go mikroorganizmowi. Jeśli ładnie poprosimy, to nie minie wiele czasu, a komórka zacznie wytwarzać kodowany przez wprowadzony gen produkt. Dzięki temu możemy poznać funkcję genu lub najzwyczajniej wydoić delikwenta i wzbogacić się o interesującą nas substancję, jak to się robi przy pozyskiwaniu insuliny. Taka jest – z ludzkiego punktu widzenia – jasna strona HGT.

Ciemna strona wiąże się z nabywaniem przez bakterie zdolności dla nas zgubnych. Najlepszy przykład to przenoszenie genów oporności antybiotykowej między organizmami, co prowadzi do powstawania wieloantybiotykoopornych bakterii siejących spustoszenie w szpitalach. Infekcje takimi patogenami są częstszą przyczyną śmierci niż zarodźce malarii lub wirus HIV i zdarzają się głosy prorokujące apokalipsę wywołaną przez te bakcyle. Z ludzkiego punktu widzenia to z pewnością niepożądany efekt (choć jeśli przyjmiemy perspektywę mikroorganizmów lub – tak jak wcześniej – samego DNA, to zauważymy, że HGT ratuje niezliczone bakteryjne istnienia przed antybiotykową anihilacją).

Nawet jednak przy uwzględnieniu fatalnej dla nas w skutkach antybiotykooporności nie sposób uznać HGT za nieprzejednanego wroga homo sapiens – a to z tego prostego powodu, że rośliny, bez których przecież nie moglibyśmy istnieć, powstały dzięki horyzontalnemu transferowi genów. Mówiąc w skrócie, zdolność fotosyntezy narodziła się w bakteriach, a przodkom dzisiejszych roślin została przekazana właśnie poprzez HGT. Podobnie ma się sprawa z wieloma innymi relacjami symbiotycznymi. Na przykład dla wielu roślin problematyczną kwes­tią jest uzyskiwanie azotu, który stanowi wprawdzie większość ziemskiej atmo­sfery, ale występuje w niej w formie trudnej do asymilacji. Istnieją jednak bakterie, które potrafią rozkładać azot atmosferyczny i włączać go w swój metabolizm. Nie dość, że geny związane z tym procesem podróżują między różnymi gatunkami bakterii dzięki HGT, to jeszcze bakterie te wchodzą w relacje z roś­linami strączkowymi, które wypracowały wyspecjalizowane przestrzenie, gdzie te mikroorganizmy mogą mieszkać. Jeden z podpunktów podpisanej między nimi umowy najmu to HGT.

Wisienką na torcie jest jednak fakt, że około 145 genów w ludzkim genomie pochodzi z innych organizmów i zostały nam one przekazane drogą HGT. Niepokojące, prawda?

Gleba pod tym drzewem

Czy skoro geny mogą podróżować horyzontalnie, nadal zasadne jest przedstawianie dziejów życia na Ziemi w formie drzewa? Czy nie lepiej wprowadzić jakiś wielokierunkowy model, np. pajęczyny? Osobiście uważam, że najtrafniejszą metaforą wciąż pozostaje drzewo – ale takie, którego konary łączą się na jakiś czas, a potem znów rozdzielają. Tutaj nitka babiego lata rozciąga się między gałązkami, tam zwisa niesforne pnącze. W metaforze tej jest również miejsce na antropogeniczny transfer genów, który można przedstawić jako sznurek na pranie albo huśtawkę.

Najciekawsza sytuacja jest u dołu drzewa. Za pień uznaje się zazwyczaj wspólnego przodka wszystkich ziemskich organizmów (LUCA). Nie wziął się on jednak znikąd. Drzewo ma także korzenie oraz glebę, z której czerpią one życiodajne soki.

We wczesnych zupach pierwotnych istniały zapewne kolonie zróżnicowanych prymitywnych komórek, które nie miały szczelnych błon, a ich genomy nie były jeszcze kompletne. Organizmy te nie mog­ły samodzielnie dokonywać wszystkich niezbędnych do życia reakcji biochemicznych. Jeden przeprowadzał część metabolizmu, a drugi przechwytywał jego produkty, przetwarzał je i oddawał kolejnemu. W takim środowisku HGT zachodził zapewne z ogromną częstotliwością, co można porównać do mrowia literek wrzuconych do bębna i mieszanych przez miliony lat, aż zaczęły z niego wyskakiwać spójne, samodzielne i piękne historie. Byty, które wyrwały się z pierwotnej maszyny losującej, były już mniej podatne na HGT, a ich „persony” odcinały się od świata zewnętrznego oraz innych komórek wyraźnymi granicami błon komórkowych. Nastała era darwinowskiej ewolucji, w której horyzontalny transfer genów ustąpił pola dziedziczeniu. Z brzemiennego w potencjalność podłoża i wijącego się w nim zatrzęsienia maleńkich istotek wyrosło drzewo form pięknych i wspaniałych, które pnie się ku słońcu, ale nie zapomina o swojej zależności od gleby, a także obecnych w niej cudach.