Toen je werd geboren, erfde je de helft van je genen van je moeder en de helft van je vader. Dat is jouw lot. Die geërfde stukjes DNA blijven je hele leven bij je, zonder verdere toevoegingen of weglatingen. Je kunt geen van mijn genen hebben, en ik kan geen van jouw genen verwerven.
gerelateerde inhoud
- Je bent wat je eet en wat je eet is miljoenen microben
- Gevangen Komodo-draken delen hun krioelende microbioom met hun omgeving, net als wij
Maar stel je een andere wereld voor waar vrienden en collega's naar believen genen kunnen uitwisselen. Als je baas een gen heeft dat haar resistent maakt tegen verschillende virussen, kun je het lenen. Als uw kind een gen heeft dat hem het risico op ziekte oplevert, kunt u het ruilen voor uw gezondere versie. Als verre familieleden een gen hebben waarmee ze bepaalde voedingsmiddelen beter kunnen verteren, is het van jou. In deze wereld zijn genen niet alleen erfstukken die verticaal moeten worden doorgegeven van de ene generatie op de volgende, maar goederen die horizontaal kunnen worden verhandeld, van de ene persoon naar de andere.
Dit is precies de wereld waarin bacteriën leven. Ze kunnen DNA net zo gemakkelijk uitwisselen als we telefoonnummers, geld of ideeën kunnen uitwisselen. Soms gaan ze naar elkaar toe, creëren ze een fysieke link en brengen ze stukjes DNA over: hun equivalent van seks. Ze kunnen ook weggegooide stukjes DNA in hun omgeving opruimen, achtergelaten door hun dode en rottende buren. Ze kunnen zelfs vertrouwen op virussen om genen van de ene cel naar de andere te verplaatsen. DNA stroomt zo vrij tussen hen door dat het genoom van een typische bacterie wordt gemarmerd met genen die van zijn soortgenoten zijn aangekomen. Zelfs nauw verwante stammen kunnen aanzienlijke genetische verschillen hebben.
Bacteriën voeren deze horizontale gentransfers, oftewel HGT, al miljarden jaren uit. Maar pas in de jaren 1920 beseften wetenschappers voor het eerst wat er gebeurde. Ze merkten op dat onschadelijke stammen van Pneumococcus plotseling ziektes konden veroorzaken na vermenging met de dode en verpulverde resten van infectieuze stammen. Iets in de extracten had ze veranderd. In 1943 toonde een 'stille revolutionair' en microbioloog genaamd Oswald Avery aan dat dit transformatieve materiaal DNA was, dat de niet-infectieuze stammen hadden geabsorbeerd en geïntegreerd in hun eigen genomen. Vier jaar later toonde een jonge geneticus genaamd Joshua Lederberg (die later het woord 'microbioom' populair zou maken) aan dat bacteriën DNA directer kunnen verhandelen.
I Contain Multitudes: The Microbes Within Us en a Grander View of Life
KopenZestig jaar later weten we dat HGT een van de meest diepgaande aspecten van het bacteriële leven is. Het laat bacteriën evolueren met blaassnelheden. Wanneer ze voor nieuwe uitdagingen staan, hoeven ze niet te wachten tot de juiste mutaties zich langzaam verzamelen binnen hun bestaande DNA. Ze kunnen gewoon aanpassingen in het groot lenen, door genen op te halen van omstanders die zich al hebben aangepast aan de uitdagingen waarvoor ze staan. Deze genen omvatten vaak eetsets voor het afbreken van ongebruikte energiebronnen, schilden die beschermen tegen antibiotica of arsenalen voor het infecteren van nieuwe gastheren. Als een innovatieve bacterie een van deze genetische hulpmiddelen ontwikkelt, kunnen zijn buren snel dezelfde eigenschappen krijgen. Dit proces kan microben onmiddellijk veranderen van onschadelijke darmbewoners in ziekteverwekkende monsters, van vreedzame Jekyllen in sinistere Hydes.
Ze kunnen ook kwetsbare ziekteverwekkers die gemakkelijk te doden zijn, transformeren in nachtmerrieachtige "superbacteriën" die zelfs onze krachtigste medicijnen afschudden. De verspreiding van deze antibioticaresistente bacteriën is ongetwijfeld een van de grootste bedreigingen voor de volksgezondheid van de 21ste eeuw, en het is een bewijs van de ongebreidelde kracht van HGT.
Dieren zijn niet zo snel. We passen ons op de gebruikelijke langzame en gestage manier aan nieuwe uitdagingen aan. Personen met mutaties die hen het best geschikt maken voor de uitdagingen van het leven, hebben meer kans om te overleven en hun genetische gaven door te geven aan de volgende generatie. Na verloop van tijd komen bruikbare mutaties vaker voor, terwijl schadelijke mutaties verdwijnen. Dit is een klassieke natuurlijke selectie - een langzaam en gestaag proces dat van invloed is op populaties, niet op individuen. Horzels van horzels en mensen zouden geleidelijk gunstige mutaties kunnen verzamelen, maar die individuele horzel, of deze specifieke havik, of die specifieke mensen kunnen geen nuttige genen voor zichzelf oppikken.
Behalve soms kunnen ze dat. Ze konden hun symbiotische microben verwisselen en meteen een nieuw pakket microbiële genen verwerven. Ze kunnen nieuwe bacteriën in contact brengen met die in hun lichaam, zodat vreemde genen naar hun microbioom migreren, waardoor hun inheemse microben nieuwe mogelijkheden krijgen. In zeldzame maar dramatische gevallen kunnen ze microbiële genen integreren in hun eigen genomen.
Exclusieve journalisten beweren soms dat HGT Darwin's visie op evolutie uitdaagt door organismen te laten ontsnappen aan de tirannie van verticale erfenis. ('Darwin had het fout', verkondigde een beruchte dekking van de nieuwe wetenschapper - ten onrechte.) Dit is niet waar. HGT voegt nieuwe variatie toe aan het genoom van een dier, maar zodra deze springgenen in hun nieuwe thuis aankomen, zijn ze nog steeds onderworpen aan een goede natuurlijke selectie.
Schadelijke sterven samen met hun nieuwe gastheren, terwijl voordelige worden doorgegeven aan de volgende generatie. Dit is zo klassiek Darwiniaans als het wordt - vanille in zijn smaak en uitzonderlijk alleen in zijn snelheid. Door samen te werken met microben, kunnen we het langzame, opzettelijke adagio van onze evolutionaire muziek tot het levendige, levendige allegro van hen versnellen.
**********
Langs de kusten van Japan klampt een roodbruin zeewier zich vast aan getijde geveegde rotsen. Dit is Porphyra, beter bekend als nori, en het heeft Japanse magen meer dan 1.300 jaar gevuld. Aanvankelijk vermalen mensen het tot een eetbare pasta. Later platten ze het in vellen, die ze om stukjes sushi wikkelden. Deze praktijk gaat vandaag nog steeds door en de populariteit van nori is over de hele wereld verspreid. Toch heeft het een speciale band met Japan. De lange erfenis van nori van het land heeft de bevolking bijzonder goed uitgerust om de zeegroente te verteren. We hebben geen enzymen die de algen kunnen afbreken, en de meeste bacteriën in onze darmen ook niet.
Maar de zee zit vol met beter uitgeruste microben. Een daarvan, een bacterie genaamd Zobellia galactanivorans, werd pas tien jaar geleden ontdekt, maar eet al veel langer zeewier. Foto Zobellia leefde eeuwen geleden in Japanse kustwateren, zittend op een stuk zeewier en verteerde het. Plots wordt zijn wereld ontworteld. Een visser verzamelt het zeewier en gebruikt het om noripasta te maken. Zijn familie wolven door deze stukjes, en daarbij slikken ze Zobellia . De bacterie bevindt zich in een nieuwe omgeving. Koel zout water is in de plaats gekomen van maagsappen. De gebruikelijke coterie van mariene microben is vervangen door rare en onbekende soorten. En terwijl het zich vermengt met deze exotische vreemden, doet het wat bacteriën meestal doen als ze elkaar ontmoeten: het deelt zijn genen.
We weten dat dit gebeurde omdat Jan-Hendrick Hehemann een van de genen van Zobellia ontdekte in een menselijke darmbacterie genaamd Bacteroides plebeius . De ontdekking was een totale schok: wat op aarde deed een marien gen in de darm van een landrotmens? Het antwoord betreft HGT. Zobellia is niet aangepast aan het leven in de darmen, dus toen het op hapjes van nori reed, bleef het niet hangen. Maar tijdens zijn korte ambtstermijn kon het gemakkelijk enkele van zijn genen aan B. plebeius hebben geschonken, waaronder die genen die zeewier verterende enzymen bouwen, genaamd porfyranasen.
Plots kreeg die darmmicrobe het vermogen om de unieke koolhydraten in nori af te breken en kon hij zich tegoed doen aan deze exclusieve energiebron die zijn collega's niet konden gebruiken. Hehemann ontdekte dat het vol zit met genen waarvan de naaste tegenhangers bestaan in mariene microben in plaats van in andere op darm gebaseerde soorten. Door herhaaldelijk genen te lenen van zeemicroben, is het bedreven geworden in het verteren van zeegroenten.
B. plebeius staat niet alleen in het stelen van mariene enzymen. De Japanners eten al zo lang nori dat hun darmmicroben doorspekt zijn met spijsverteringsgenen van oceanische soorten. Het is echter onwaarschijnlijk dat dergelijke transfers nog steeds aan de gang zijn: moderne chef-koks roosteren en koken nori en verbranden eventuele liftende microben. De diners van voorbije eeuwen wisten alleen dergelijke microben in hun darmen te importeren door het spul rauw te eten.
Daarna gaven ze hun darmmicroben, nu volgeladen met zeewierverbrandende porfyranase-genen, door aan hun kinderen. Hehemann zag vandaag tekenen van dezelfde erfenis. Een van de mensen die hij bestudeerde, was een ongespeend meisje, dat nog nooit in haar leven een hap sushi had gegeten. En toch, haar darmbacteriën hadden een porfyranase-gen, net als dat van haar moeder. Haar microben waren vooraf aangepast voor het verslinden van nori.
Hehemann publiceerde zijn ontdekking in 2010 en het blijft een van de meest opvallende microbioomverhalen die er zijn. Gewoon door zeewier te eten, boekten de Japanse diners van eeuwen geleden een groep spijsverteringsgenen op een ongelooflijke reis van zee naar land. De genen bewogen horizontaal van mariene microben naar darm, en vervolgens verticaal van de ene darm naar de andere. Hun reizen zijn misschien nog verder gegaan. In eerste instantie kon Hehemann alleen de genen voor porfyranasen vinden in Japanse microbiomen en niet in Noord-Amerikaanse. Dat is nu veranderd: sommige Amerikanen hebben duidelijk de genen, zelfs degenen die niet van Aziatische afkomst zijn.
Hoe is dat gebeurt? Sprong B. plebeius van Japanse ingewanden naar Amerikaanse? Zijn de genen afkomstig van andere mariene microben die zich aan boord van ander voedsel opbergen? De Welsh en de Ieren gebruiken al lang Porphyra- zeewier om een gerecht te maken dat laver wordt genoemd; konden ze porfyranasen hebben verkregen die ze vervolgens over de Atlantische Oceaan droegen? Voorlopig weet niemand het. Maar het patroon "suggereert dat zodra deze genen de initiële gastheer raken, waar dat ook gebeurt, ze zich kunnen verspreiden tussen individuen, " zegt Hehemann.
Dit is een glorieus voorbeeld van de adaptieve snelheid die HGT verleent. Mensen hoeven geen gen te ontwikkelen dat de koolhydraten in zeewier kan afbreken; als we genoeg microben inslikken die deze stoffen kunnen verteren, is er een kans dat onze eigen bacteriën de truc door HGT 'leren'.
HGT is afhankelijk van nabijheid, en ons lichaam ontwikkelt op grote schaal nabijheid door microben in dichte menigten te verzamelen. Er wordt gezegd dat steden hubs van innovatie zijn omdat ze mensen op dezelfde plaats concentreren, waardoor ideeën en informatie vrijer kunnen stromen. Op dezelfde manier zijn dierenlichamen knooppunten van genetische innovatie, omdat ze DNA vrijer laten stromen tussen opeenhopingen van microben. Sluit je ogen en zie strengen genen die zich een weg banen door je lichaam, van de ene microbe naar de andere. We zijn drukke marktplaatsen, waar bacteriehandelaren hun genetische producten uitwisselen.
***********
Dierlijke lichamen zijn de thuisbasis van zoveel microben dat af en toe hun genen hun weg vinden naar onze genomen. En soms geven deze genen hun nieuwe gastheren ongelooflijke mogelijkheden.
De koffiebessenboorder is een plaag die een bacterieel gen in zijn eigen genoom heeft opgenomen, waardoor zijn larven de weelderige banketten van koolhydraten in koffiebonen kunnen verteren. Geen enkel ander insect - zelfs niet zeer naaste familieleden - heeft hetzelfde gen of iets dergelijks; alleen bacteriën doen dat. Door in een oude koffieboorder te springen, kon het genus deze bescheiden kever verspreiden over koffiegroeiende gebieden over de hele wereld en een koninklijke pijn in de espresso worden.
Boeren hebben dus redenen om HGT te haten - maar ook redenen om het te vieren. Voor één groep wespen, de braconiden, hebben overgedragen genen een bizarre vorm van ongediertebestrijding mogelijk gemaakt. De vrouwtjes van deze wespen leggen hun eieren in nog levende rupsen, die hun jongen vervolgens levend verslinden. Om de larven te helpen, injecteren de vrouwtjes de rupsen ook met virussen, die hun immuunsysteem onderdrukken. Dit worden bracovirussen genoemd en ze zijn niet alleen bondgenoten van de wespen: ze maken deel uit van de wespen. Hun genen zijn volledig geïntegreerd in het braconid-genoom en staan onder controle.
De bracovirussen zijn gedomesticeerde virussen! Ze zijn volledig afhankelijk van de wespen voor hun reproductie. Sommigen zeggen misschien dat het geen echte virussen zijn; ze zijn bijna als afscheidingen van het lichaam van de wesp in plaats van entiteiten op zichzelf. Ze moeten afstammen van een oud virus, waarvan de genen zich een weg baanden door het DNA van een voorouderlijk braconid en daar bleven. Deze fusie leidde tot meer dan 20.000 soorten braconid-wespen, die allemaal bracovirussen in hun genomen hebben - een immense dynastie van parasieten die symbiotische virussen als biologische wapens gebruiken.
Andere dieren hebben horizontaal overgedragen genen gebruikt om zich te verdedigen tegen parasieten. Bacteriën zijn immers de ultieme bron van antibiotica. Ze hebben miljarden jaren met elkaar gevochten en hebben een uitgebreid arsenaal aan genetische wapens uitgevonden om hun rivalen te verslaan. Een familie van genen, bekend als tae, maakt eiwitten die gaten in de buitenmuren van bacteriën slaan en fatale lekken veroorzaken. Deze zijn ontwikkeld door microben voor gebruik tegen andere microben. Maar deze genen hebben ook hun weg gevonden naar dieren. Schorpioenen, mijten en teken hebben ze. Dat geldt ook voor zeeanemonen, oesters, watervlooien, limpets, zeeslakken en zelfs het lancet - een zeer nauwe verwant van dieren met een ruggengraat zoals wij.
De tae- familie is een voorbeeld van het soort genen dat zich heel gemakkelijk verspreidt via HGT. Ze zijn zelfvoorzienend en hebben geen ondersteunende cast van andere genen nodig om hun werk te doen. Ze zijn ook universeel nuttig, omdat ze antibiotica maken. Elk levend wezen heeft te kampen met bacteriën, dus elk gen dat de eigenaar in staat stelt bacteriën effectiever te bestrijden, vindt in de hele levensboom winstgevend werk. Als het de sprong kan maken, heeft het een goede kans om zichzelf te vestigen als een productief onderdeel van zijn nieuwe host. Deze sprongen zijn des te indrukwekkender omdat wij mensen, met al onze intelligentie en technologie, positief worstelen om nieuwe antibiotica te maken. We zijn zo onder de indruk dat we al tientallen jaren geen nieuwe typen meer hebben ontdekt. Maar eenvoudige dieren zoals teken en zeeanemonen kunnen zich eigen maken en meteen bereiken wat we nodig hebben om veel onderzoeks- en ontwikkelingsrondes te doen - allemaal via horizontale genoverdracht.
Deze verhalen tonen HGT als een additieve kracht, die zowel microben als dieren doordrenkt met wonderlijke nieuwe krachten. Maar het kan ook subtractief zijn. Hetzelfde proces dat nuttige microbiële vermogens aan ontvangers van dieren schenkt, kan de microben zelf laten verdorren en vervallen, tot het punt waarop ze volledig verdwijnen en alleen hun genetische nalatenschappen overblijven.
Het wezen dat dit fenomeen het beste illustreert, is te vinden in kassen en velden over de hele wereld, tot grote ergernis van boeren en tuinders. Het is de citruswolluis: een klein sapzuigend insect dat eruitziet als een lopende roosschilfers of een pissebed dat is bestrooid met bloem. Paul Buchner, die ijverige geleerde van symbionten, bracht een bezoek aan de wolluis op zijn reis door de insectenwereld. Tot niemand verbaasde hij bacteriën in hun cellen. Maar, meer ongewoon, beschreef hij ook '' ronde of lange slijmachtige bolletjes waarin de symbionten dik ingebed zijn '. Deze bolletjes smachten tientallen jaren weg in het donker tot 2001, toen wetenschappers ontdekten dat ze niet alleen huizen waren voor bacteriën. Ze waren zelf bacteriën.
De citruswolluis is een levende matryoshkapop. Er leven bacteriën in zijn cellen, en in die bacteriën leven meer bacteriën. Bugs binnen bugs binnen bugs. De grotere heet nu Tremblaya naar Ermenegildo Tremblay, een Italiaanse entomoloog die studeerde onder Buchner. De kleinere heet Moranella naar bladluis-wrangler Nancy Moran. ("Het is een soort zielig klein ding om naar je te worden genoemd, " vertelde ze me met een grijns.)
John McCutcheon heeft de oorsprong van deze rare hiërarchie uitgewerkt - en het is bijna ongelooflijk in zijn wendingen. Het begint met Tremblaya, de eerste van de twee bacteriën die wolluizen koloniseren. Het werd een permanente bewoner en, zoals vele insecten-symbionten, verloor het genen die belangrijk waren voor een vrij leven. In de knusse grenzen van zijn nieuwe gastheer kon het zich veroorloven met een meer gestroomlijnd genoom. Toen Moranella zich bij deze tweewegs -symbiose aansloot, kon Tremblaya het zich veroorloven om nog meer genen te verliezen, in de zekerheid dat de nieuwe aankomst zou verslappen. Hier gaat HGT meer over het evacueren van bacteriële genen van een capsiserend schip. Het bewaart genen die anders verloren zouden gaan door het onvermijdelijke verval dat symbiont genomen aantast.
Alle drie de partners werken bijvoorbeeld samen om voedingsstoffen te maken. Om het aminozuur fenylalanine te maken, hebben ze negen enzymen nodig. Tremblaya kan 1, 2, 5, 6, 7 en 8 bouwen; Moranella kan 3, 4 en 5 maken; en de wolluis alleen maakt de 9e. Noch de wolluis noch de twee bacteriën kunnen zelf fenylalanine aanmaken; ze zijn afhankelijk van elkaar om de gaten in hun repertoires te vullen. Dit doet me denken aan de Graeae van de Griekse mythologie: de drie zussen die één oog en één tand met elkaar delen. Meer zou overbodig zijn: hun opstelling, hoewel vreemd, laat hen nog steeds zien en kauwen. Zo is het ook met de wolluis en zijn symbionten. Ze eindigden met een enkel metabolisch netwerk, verdeeld over hun drie complementaire genomen. In de rekenkunde van symbiose kan één plus één plus één gelijk zijn aan één.
*********
De wereld om ons heen is een gigantisch reservoir van potentiële microbiële partners. Elke hap kan nieuwe microben binnenbrengen die een eerder onbreekbaar deel van onze maaltijden verteren, of die de gifstoffen ontgiften in een eerder oneetbaar voedsel, of die een parasiet doden die eerder onze aantallen onderdrukte. Elke nieuwe partner kan zijn gastheer misschien helpen om iets meer te eten, een beetje verder te reizen, een beetje langer te overleven.
De meeste dieren kunnen niet bewust gebruikmaken van deze open-source aanpassingen. Ze moeten vertrouwen op geluk om ze de juiste partners te geven. Maar wij mensen zijn niet zo beperkt. Wij zijn innovators, planners en probleemoplossers. En we hebben een enorm voordeel dat alle andere dieren missen: we weten dat er microben bestaan! We hebben instrumenten bedacht die ze kunnen zien.
We kunnen ze opzettelijk laten groeien. We hebben tools die de regels kunnen ontcijferen die van toepassing zijn op hun bestaan en de aard van hun partnerschappen met ons. En dat geeft ons de mogelijkheid om die partnerschappen opzettelijk te manipuleren. We kunnen haperende gemeenschappen van microben vervangen door nieuwe die tot een betere gezondheid zullen leiden. We kunnen nieuwe symbio's creëren die ziekten bestrijden. En we kunnen eeuwenoude allianties verbreken die ons leven bedreigen.
Uit het komende boek BEVAT IK MULTITUDES: The Microbes Within Us and a Grander View of Life van Ed Yong. Copyright © 2016 door Ed Yong. Wordt op 9 augustus gepubliceerd door Ecco, een afdruk van HarperCollins Publishers. Overgenomen met toestemming .
