Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Nawigacja Nawigacja

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Ewolucyjny sens stosunków „płciowych” bakterii

Ewolucyjny sens stosunków „płciowych” bakterii

Jaka jest najlepsza genetyczna strategia tworzenia potomstwa? Z jednej strony zdobywanie nowych, adaptacyjnych kombinacji genów wygląda na świetny pomysł, z drugiej jednak wydaje się, że poprzez rekombinacje ryzykujemy również rozbicie adaptacyjnych zestawów genów. Jak się okazuje, bakterie mogą dostarczyć jednej z odpowiedzi na powyższe pytanie. O tym, jaki jest ewolucyjny sens stosunków "płciowych" bakterii pisze dr Rafał Mostowy z Małopolskiego Centrum Biotechnologii.

Oryginalny tekst znajduje się na stronie internetowej MCB i powstał na podstawie artykułu autorstwa i za zgodą dr Rafała Mostowego (opublikowanego na stronie internetowej Mostowy Lab, oraz publikacji w Science Advances).

Powyższe pytanie zadają sobie największe umysły, studujące biologię ewolucyjną od dziesiątek lat. Jedną możliwością jest po prostu stworzenie genetycznej kopii samego siebie (klona). Z ewolucyjnego punktu widzenia, taka strategia jest szybka, efektywna i daje pewność, że wszystkie nasze geny są przekazywane kolejnemu pokoleniu. Inną możliwością jest zaaranżowanie pewnej formy stosunku płciowego, zdefiniowanego jako sposób na "przetasowanie" naszego materiału genetycznego. Seks jest świetną możliwością zdobywania nowych kombinacji genów. Problem w tym, że łączenie pewnych kombinacji na nowo wiąże się także z ryzykiem utraty tych już "oswojonych". Która więc strategia jest lepsza z ewolucyjnego punktu widzenia?

Wielu biologów odpowiedź na pytanie, czy seks jest lepszy niż brak seksu, uważa za oczywistą. Seks jest lepszy, ponieważ zwiększa różnorodność genetyczną. Ta z kolei jest wykorzystywana przez presję selekcyjną, przyspieszając tym samym adaptację populacji do zmieniających się warunków środowiska. Z drugiej jednak strony potomstwo pochodzące ze stosunku płciowego wcale nie musi zwiększać różnorodności. Jeżeli jednak to robi, to zwiększona różnorodność wcale też nie musi być korzystna. A jednak prawie wszystkie znane organizmy angażują się w jakąś formę stosunku płciowego. Jeśli więc seks i rekombinacja są tak powszechne, to może zamiast więc dociekać tego, jaka jest najlepsza strategia genetyczna tworzenia potomstwa, powinniśmy raczej zapytać, jakie tempo wymiany genów jest ewolucyjnie optymalne? 

Rozwiązłe bakterie

Bakterie właściwie nie angażują się w rozmnażanie płciowe - przechodzą tzw. horyzontalny transfer genów (HGT), który jest zwykle definiowany jako połączenie trzech różnych procesów: transformacji, koniugacji i transdukcji (zob. grafikę). HGT różni się zasadniczo od rekombinacji eukariotycznej (eukarionty, to organizmy zbudowane z komórek posiadających jądro komórkowe z chromosomami), gdyż dwa z jej trzech mechanizmów (koniugacja i transdukcja) nie stanowią autonomicznych procesów, napędzanych przez przepływ samolubnych, ruchomych elementów genetycznych. Sama transformacja, czyli trzeci proces, rozwinęła się natomiast jako mechanizm zapobiegający wzrostowi różnorodności genetycznej, a nie umożliwiający go. 

Co ważne, różne linie bakteryjne przechodzą HGT w różnym tempie - np. Helicobacter pylori lub Streptococcus pneumoniae ulegają rekombinacji dosyć często, zaś Mycobacterium tuberculosis przechodzi HGT niezmiernie rzadko. Jest rzeczą oczywistą, że tempo HGT nie jest jedyną rozróżnialną cechą między szczepami bakteryjnymi, tak więc podczas prowadzenia badań genomowych można zaobserwować np. korelację między częstością występowania HGT a daną cechą (np. występowaniem antybiotykooporności). Można więc pokusić się o stwiedzenie, że dzieje się tak, ponieważ HGT jest procesem adaptacyjnym i pomaga określonym szczepom bakteryjnym dostosować się do otoczenia poprzez nabycie takiej pożądanej cechy (w tym przypadku, najzwyczajniej pomaga bakteriom uodpornić się na groźne dla nich antybiotyki). Jednak tym, czego dowiedzieliśmy się ze 150 lat badań nad ewolucją stosunku płciowego, jest fakt, że więcej seksu nie zawsze jest bardziej korzystną sytuacją, niż mniej seksu. Tak więc, czy szczepy bakterii, które w większym stopniu ulegają HGT, są lepsze w dostosowywaniu się do zmiennych warunków? 

Aby odnieść się do tych dwóch hipotez, dr Rafał Mostowy z MCB UJ we współpracy z dr Sonją Lehtinen i prof. Christoph'em Fraser'em z Big Data Institute na Uniwersytecie Oksfordzkim oraz kilkoma innymi naukowcami z innych instytucji przeprowadził szereg badań. Badacze analizowali zbiór izolatów bakterii zakaźnych Streptococcus pneumoniae z obozu dla uchodźców na granicy tajlandzko-birmańskiej Mae La. Próbki były izolowane od matek i niemowląt w przeciągu 3 lat. Badacze oceniali tempo HGT w różnych liniach bakteryjnych i analizowali relację między częstością występowania oporności na antybiotyki a czasem rozprzestrzeniania się bakterii. Stwierdzono, że częstotliwość pojawiania się HGT nie tłumaczy obserwowanej częstości występowania oporności na antybiotyki. To z kolei najlepiej wyjaśniają właściwości nośnika bakteryjnego - im dłużej nośnik bakteryjny jest przenoszony, tym większe jest prawdopodobieństwo rozwinięcia się oporności na antybiotyki.

Wnioski z publikacji

Jedym z ważnych, mimo że nie kontrowersyjnych, wniosków z publikacji, jest stwierdzenie, że korelacja nie jest przyczyną. W badaniach genomowych, w których otrzymuje się współczynniki HGT, dodatnie korelacje między tempem HGT a daną cechą nie powinny być natychmiast interpretowane jako dowód wartości adaptacyjnej HGT. Wiemy oczywiście, że HGT jest potężnym narzędziem ewolucyjnym, ale bycie bardziej podatnym na samą wymianę genów nie zawsze jest korzystne. Rezultaty badań pokazują również, jak mało jeszcze rozumiemy o wpływie tempa HGT na dynamikę ewolucyjną populacji bakterii i jak niewiele wiemy jeszcze o roli ewolucyjnej samego wskaźnika HGT. Szybki wzrost baz danych genomicznych daje niesamowitą szansę na zbadanie tych kwestii. Jednakże, z milionami genomów na wyciągnięcie ręki, istnieje pokusa "sięgania po najniżej wiszące owoce" i przedstawiania obserwacji wynikających z nowo zsekwencjonowanych danych, nie zaś z lepszego zrozumienia związków pomiędzy wcześniej oszacowanymi wartościami. Wszystko omówione w tym artykule hipotezy i wnioski będą potrzebne naukowcom do zapewnienia spójnych ram intelektualnych, aby w pełni zrozumieć rolę HGT w adaptacji bakterii.

 

Grafika: aut. Dorota Pacześniak

Polecamy również
Nobel 2020 z chemii za nożyczki genetyczne
Efekt (braku) kosiarki
Globalna apokalipsa owadów
W poszukiwaniu początków życia