Quando sei nato, hai ereditato metà dei tuoi geni da tua madre e metà da tuo padre. Questo è il tuo destino. Quei pezzi ereditati di DNA rimarranno con te per tutta la vita, senza ulteriori aggiunte o omissioni. Non puoi avere nessuno dei miei geni e non posso acquisire nessuno dei tuoi.
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Ma immagina un mondo diverso in cui amici e colleghi possono scambiare i geni a piacimento. Se il tuo capo ha un gene che la rende resistente a vari virus, puoi prenderlo in prestito. Se tuo figlio ha un gene che lo mette a rischio di malattia, puoi scambiarlo con la tua versione più sana. Se i parenti lontani hanno un gene che consente loro di digerire meglio determinati alimenti, è tuo. In questo mondo, i geni non sono solo cimeli da trasmettere verticalmente da una generazione all'altra, ma merci da scambiare in orizzontale, da un individuo all'altro.
Questo è esattamente il mondo in cui vivono i batteri. Possono scambiare il DNA con la stessa facilità con cui potremmo scambiare numeri di telefono, denaro o idee. A volte, si avvicinano l'uno all'altro, creano un legame fisico e distribuiscono frammenti di DNA: il loro equivalente del sesso. Possono anche scovare frammenti di DNA scartati nel loro ambiente, lasciati dai loro vicini morti e in decomposizione. Possono persino fare affidamento sui virus per spostare i geni da una cellula all'altra. Il DNA scorre così liberamente tra loro che il genoma di un batterio tipico è marmorizzato con geni che sono arrivati dai suoi coetanei. Anche i ceppi strettamente correlati potrebbero avere sostanziali differenze genetiche.
I batteri hanno effettuato questi trasferimenti genici orizzontali, o HGT in breve, per miliardi di anni. Ma non è stato fino agli anni '20 che gli scienziati hanno capito per prima cosa cosa stava succedendo. Hanno notato che i ceppi innocui di Pneumococco potrebbero improvvisamente iniziare a causare malattie dopo essersi mescolati con i resti morti e polposi di ceppi infettivi. Qualcosa negli estratti li aveva cambiati. Nel 1943, un "silenzioso rivoluzionario" e un microbiologo di nome Oswald Avery mostrarono che questo materiale trasformativo era il DNA, che i ceppi non infettivi avevano assorbito e integrato nei propri genomi. Quattro anni dopo, un giovane genetista di nome Joshua Lederberg (che in seguito avrebbe reso popolare la parola "microbioma") ha mostrato che i batteri possono scambiare il DNA più direttamente.
Contengo moltitudini: i microbi dentro di noi e una visione più grande della vita
AcquistareA sessant'anni di distanza, sappiamo che l'HGT è uno degli aspetti più profondi della vita batterica. Permette ai batteri di evolversi a velocità vertiginose. Quando affrontano nuove sfide, non devono aspettare che le mutazioni giuste si accumulino lentamente nel loro DNA esistente. Possono semplicemente prendere in prestito adattamenti all'ingrosso, raccogliendo geni da astanti che si sono già adattati alle sfide da affrontare. Questi geni spesso includono set da pranzo per abbattere le fonti di energia non sfruttate, scudi che proteggono dagli antibiotici o arsenali per infettare nuovi ospiti. Se un batterio innovativo evolve uno di questi strumenti genetici, i suoi vicini possono ottenere rapidamente gli stessi tratti. Questo processo può trasformare istantaneamente i microbi da innocui residenti intestinali in mostri che causano malattie, da pacifici Jekylls a sinistra Idi.
Possono anche trasformare agenti patogeni vulnerabili che sono facili da uccidere in "superbatteri" da incubo che scrollano di dosso anche le nostre medicine più potenti. La diffusione di questi batteri resistenti agli antibiotici è senza dubbio una delle maggiori minacce per la salute pubblica del 21 ° secolo ed è testimonianza del potere sfrenato dell'HGT.
Gli animali non sono così veloci. Ci adattiamo alle nuove sfide nel solito modo lento e costante. Gli individui con mutazioni che li rendono più adatti alle sfide della vita hanno maggiori probabilità di sopravvivere e trasmettere i loro doni genetici alla generazione successiva. Nel tempo, le mutazioni utili diventano più comuni, mentre quelle dannose svaniscono. Questa è la selezione naturale classica: un processo lento e costante che colpisce le popolazioni, non gli individui. Falchi di calabroni e gli umani potrebbero gradualmente accumulare mutazioni benefiche, ma quel calabrone individuale, o questo falco specifico, o quei particolari umani non possono raccogliere geni benefici per se stessi.
Tranne qualche volta, possono. Potrebbero scambiare i loro microbi simbiotici, acquisendo immediatamente un nuovo pacchetto di geni microbici. Possono mettere in contatto nuovi batteri con quelli del loro corpo, in modo che i geni estranei migrino nel loro microbioma, dando ai loro microbi nativi nuove capacità. In occasioni rare ma drammatiche, possono integrare i geni microbici nei loro genomi.
I giornalisti entusiasti a volte amano affermare che HGT sfida la visione dell'evoluzione di Darwin, consentendo agli organismi di sfuggire alla tirannia dell'eredità verticale. ("Darwin aveva torto", proclamò una famigerata copertina di New Scientist — a torto.) Questo non è vero. HGT aggiunge nuove variazioni al genoma di un animale, ma una volta che questi geni saltanti arrivano nelle loro nuove case, sono ancora soggetti a una buona selezione naturale.
I dannosi muoiono insieme ai loro nuovi ospiti, mentre quelli benefici vengono trasmessi alla generazione successiva. Questo è il classico darwiniano di sempre: vaniglia nel suo sapore ed eccezionale solo nella sua velocità. Collaborando con i microbi, possiamo accelerare l'adagio lento e deliberato della nostra musica evolutiva al loro vivace, vivace.
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Lungo le coste del Giappone, un'alga bruno-rossastra si aggrappa alle rocce spazzate dalla marea. Questo è Porphyra, meglio noto come nori, e ha riempito lo stomaco giapponese per oltre 1.300 anni. All'inizio, la gente lo macinava in una pasta commestibile. Più tardi, lo appiattirono in fogli, che avvolse intorno a bocconcini di sushi. Questa pratica continua ancora oggi e la popolarità di nori si è diffusa in tutto il mondo. Tuttavia, ha un legame speciale con il Giappone. La lunga eredità del paese di consumo di nori ha lasciato la sua gente particolarmente ben attrezzata per digerire la verdura di mare. Non abbiamo enzimi in grado di abbattere le alghe e nemmeno la maggior parte dei batteri nelle nostre viscere.
Ma il mare è pieno di microbi meglio equipaggiati. Uno di questi, un batterio chiamato Zobellia galactanivorans, è stato scoperto solo un decennio fa, ma ha mangiato alghe per molto più tempo. Immagina Zobellia, secoli fa, che vive nelle acque costiere giapponesi, seduto su un pezzo di alga e digerendolo. All'improvviso, il suo mondo viene sradicato. Un pescatore raccoglie l'alga e la usa per fare la pasta nori. I suoi lupi della sua famiglia scendono lungo questi bocconcini e, così facendo, ingoiano Zobellia . Il batterio si trova in un nuovo ambiente. L'acqua salata fresca è stata sostituita con succhi gastrici. La sua solita coterie di microbi marini è stata sostituita da specie strane e sconosciute. E mentre si confonde con questi estranei esotici, fa ciò che i batteri fanno normalmente quando si incontrano: condivide i suoi geni.
Sappiamo che ciò è accaduto perché Jan-Hendrick Hehemann ha scoperto uno dei geni di Zobellia in un batterio intestinale umano chiamato Bacteroides plebeius . La scoperta è stata uno shock totale: cosa diavolo stava facendo un gene marino nell'intestino di un essere umano in movimento? La risposta riguarda HGT. La zobellia non è adattata alla vita nell'intestino, quindi quando cavalcava su bocconcini di nori, non si attardava. Ma durante il suo breve mandato, avrebbe potuto facilmente donare alcuni dei suoi geni a B. plebeius, compresi quelli che costruiscono enzimi che digeriscono le alghe chiamati porfranasi.
Improvvisamente, quel microbo intestinale ha acquisito la capacità di abbattere i carboidrati unici trovati in nori, e potrebbe banchettare con questa esclusiva fonte di energia che i suoi coetanei non potrebbero usare. Hehemann ha scoperto che è pieno di geni le cui controparti più vicine esistono nei microbi marini piuttosto che in altre specie a base di intestino. Prendendo in prestito ripetutamente geni dai microbi marini, è diventato abile nel digerire le verdure di mare.
B. plebeius non è il solo a rubare gli enzimi marini. I giapponesi hanno mangiato nori per così tanto tempo che i loro microbi intestinali sono conditi con geni digestivi di specie oceaniche. È improbabile che tali trasferimenti siano ancora in corso, tuttavia: gli chef moderni arrostiscono e cucinano il nori, incenerendo eventuali microbi autostop. I commensali dei secoli passati sono riusciti a importare tali microbi nelle loro viscere mangiando roba cruda.
Quindi hanno passato i loro microbi intestinali, ora carichi di geni di porfanasi che distruggono le alghe, ai loro figli. Hehemann ha visto segni della stessa eredità in corso oggi. Una delle persone che ha studiato era una bambina indesiderata, che non aveva mai mangiato un boccone di sushi in vita sua. Eppure, i suoi batteri intestinali avevano un gene porfranasi, proprio come faceva sua madre. I suoi microbi vennero pre-adattati per divorare il nori.
Hehemann ha pubblicato la sua scoperta nel 2010 e rimane una delle storie di microbiomi più sorprendenti in circolazione. Solo mangiando alghe, i commensali giapponesi dei secoli passati hanno prenotato un gruppo di geni digestivi in un incredibile viaggio dal mare alla terra. I geni si sono spostati orizzontalmente dai microbi marini a quelli intestinali, e poi verticalmente da un intestino all'altro. I loro viaggi potrebbero essere andati anche oltre. Inizialmente, Hehemann riuscì a trovare solo i geni delle porfanasi nei microbiomi giapponesi e non in quelli nordamericani. Ora è cambiato: alcuni americani hanno chiaramente i geni, anche quelli che non sono di origine asiatica.
Come è successo? B. plebeius saltò dalle viscere giapponesi a quelle americane? I geni provenivano da altri microbi marini che si riponevano a bordo di cibi diversi? I gallesi e gli irlandesi hanno usato a lungo l'alga Porphyra per preparare un piatto chiamato laver; avrebbero potuto acquisire porfanasi che poi trasportavano attraverso l'Atlantico? Per ora nessuno lo sa. Ma il modello "suggerisce che una volta che questi geni colpiscono l'ospite iniziale, ovunque ciò accada, possono disperdersi tra gli individui", afferma Hehemann.
Questo è un glorioso esempio della velocità adattativa che conferisce HGT. Gli esseri umani non hanno bisogno di sviluppare un gene che può scomporre i carboidrati nelle alghe; se ingeriamo abbastanza microbi che possono digerire queste sostanze, c'è la possibilità che i nostri batteri "imparino" il trucco attraverso l'HGT.
L'HGT dipende dalla prossimità e i nostri corpi progettano la prossimità su vasta scala raccogliendo microbi in folle folte. Si dice che le città siano centri di innovazione perché concentrano le persone nello stesso posto, consentendo alle idee e alle informazioni di fluire più liberamente. Allo stesso modo, i corpi animali sono centri di innovazione genetica, perché consentono al DNA di fluire più liberamente tra le masse di microbi rannicchiati. Chiudi gli occhi e immagina matasse di geni che si fanno strada intorno al tuo corpo, passando da un microbo all'altro. Siamo mercati animati, dove i commercianti di batteri si scambiano le loro merci genetiche.
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I corpi animali ospitano così tanti microbi che occasionalmente i loro geni si fanno strada nei nostri genomi. E a volte, questi geni conferiscono ai loro nuovi ospiti abilità incredibili.
Lo scarafaggio alesatore di bacche di caffè è un parassita che ha incorporato un gene batterico nel suo genoma, che consente alle sue larve di digerire i lussureggianti banchetti di carboidrati all'interno dei chicchi di caffè. Nessun altro insetto - nemmeno parenti molto stretti - ha lo stesso gene o qualcosa del genere; fanno solo i batteri. Saltando in un antico alesatore del caffè, il gene ha permesso a questo scarabeo senza pretese di diffondersi attraverso le regioni di coltivazione del caffè in tutto il mondo e diventare un dolore reale nell'espresso.
Gli agricoltori, quindi, hanno motivi per detestare l'HGT, ma anche motivi per celebrarlo. Per un gruppo di vespe, i braconidi, i geni trasferiti hanno permesso una bizzarra forma di controllo dei parassiti. Le femmine di queste vespe depongono le loro uova in bruchi ancora in vita, che i loro piccoli divorano poi vivi. Per dare una mano alle larve, le femmine iniettano anche virus nei bruchi, che sopprimono il loro sistema immunitario. Questi sono chiamati bracovirus e non sono solo alleati delle vespe: fanno parte delle vespe. I loro geni si sono completamente integrati nel genoma dei braconidi e sono sotto il suo controllo.
I bracovirus sono virus domestici! Sono interamente dipendenti dalle vespe per la loro riproduzione. Alcuni potrebbero dire che non sono veri virus, sono tutti; sono quasi come secrezioni del corpo della vespa piuttosto che entità a sé stanti. Devono essere discesi da un antico virus, i cui geni si sono fatti strada nel DNA di un braconide ancestrale e sono rimasti lì. Questa fusione ha dato origine a oltre 20.000 specie di vespe di braconidi, tutte con bracovirus nei loro genomi, un'immensa dinastia di parassiti che utilizza virus simbiotici come armi biologiche.
Altri animali hanno usato geni trasferiti orizzontalmente per difendersi dai parassiti. I batteri, dopo tutto, sono l'ultima fonte di antibiotici. Sono stati in guerra tra loro per miliardi di anni e hanno inventato un vasto arsenale di armi genetiche per battere i loro rivali. Una famiglia di geni, nota come tae, produce proteine che perforano le pareti esterne dei batteri, causando perdite fatali. Questi sono stati sviluppati dai microbi per l'uso contro altri microbi. Ma questi geni hanno trovato la loro strada anche negli animali. Scorpioni, acari e zecche li hanno. Così fanno gli anemoni di mare, le ostriche, le pulci d'acqua, le patelle, le lumache di mare e persino la lancetta - un parente molto stretto di animali ossessionati come noi.
La famiglia Tae esemplifica il tipo di geni che si diffondono molto facilmente attraverso l'HGT. Sono autosufficienti e non hanno bisogno di un cast di supporto di altri geni per fare il loro lavoro. Sono anche universalmente utili, perché producono antibiotici. Ogni essere vivente deve fare i conti con i batteri, quindi qualsiasi gene che permetta al suo proprietario di controllare i batteri in modo più efficace troverà un impiego redditizio in tutto l'albero della vita. Se riesce a fare il salto, ha buone probabilità di affermarsi come parte produttiva del suo nuovo host. Questi salti sono tanto più impressionanti perché noi umani, con tutta la nostra intelligenza e tecnologia, lottiamo positivamente per creare nuovi antibiotici. Siamo così confusi che non abbiamo scoperto nuovi tipi per decenni. Ma animali semplici come le zecche e gli anemoni di mare possono fare da soli, realizzando all'istante ciò di cui abbiamo bisogno per fare molti cicli di ricerca e sviluppo, il tutto attraverso il trasferimento genico orizzontale.
Queste storie descrivono HGT come una forza additiva, che infonde a microbi e animali nuovi meravigliosi poteri. Ma può anche essere sottrattivo. Lo stesso processo che conferisce utili capacità microbiche ai destinatari degli animali può far appassire e decadere i microbi stessi, al punto in cui scompaiono del tutto e rimangono solo i loro lasciti genetici.
La creatura che meglio esemplifica questo fenomeno può essere trovata in serre e campi in tutto il mondo, con grande dispiacere di agricoltori e giardinieri. È la coccinella degli agrumi: un piccolo insetto che succhia la linfa che assomiglia a un fiocco di forfora che cammina o a una pianta di legno che è stata spolverata di farina. Paul Buchner, quel super-laborioso studioso di simbionti, visitò il clan di cocciniglie durante il suo giro nel mondo degli insetti. Con sorpresa di nessuno, ha trovato batteri all'interno delle loro cellule. Ma, più insolitamente, ha anche descritto "globuli mucillagini tondeggianti o longevi in cui i simbionti sono fitti". Questi globuli sono rimasti nell'oscurità per decenni fino al 2001, quando gli scienziati hanno appreso che non erano solo case per batteri. Erano batteri stessi.
La coccinella di agrumi è una bambola matrioska vivente. Ha batteri che vivono all'interno delle sue cellule e quei batteri hanno più batteri che vivono al loro interno. Bug all'interno di bug all'interno di bug. Il più grande ora si chiama Tremblaya dopo Ermenegildo Tremblay, un entomologo italiano che ha studiato sotto Buchner. Il più piccolo si chiama Moranella dal nome dell'afida Wrangler Nancy Moran. ("È una specie di patetica piccola cosa che deve il tuo nome", mi disse con un sorriso.)
John McCutcheon ha individuato le origini di questa strana gerarchia, ed è quasi incredibile nelle sue svolte. Inizia con Tremblaya, il primo dei due batteri a colonizzare le cocciniglie. Divenne residente permanente e, come molti simbionti di insetti, perse geni importanti per un'esistenza a vita libera. Negli accoglienti confini del suo nuovo ospite, potrebbe permettersi di cavarsela con un genoma più snello. Quando Moranella si unì a questa simbiosi a due vie, Tremblaya poteva permettersi di perdere ancora più geni, nella certezza che il nuovo arrivo avrebbe colmato il gioco. Qui, HGT è più sull'evacuazione dei geni batterici da una nave che si ribalta. Conserva i geni che altrimenti andrebbero persi per l'inevitabile decadimento che affligge i genomi dei simbionti.
Ad esempio, tutti e tre i partner collaborano per produrre sostanze nutritive. Per creare l'amminoacido fenilalanina, hanno bisogno di nove enzimi. Tremblaya può costruire 1, 2, 5, 6, 7 e 8; Moranella può fare 3, 4 e 5; e solo la cocciniglia fa il nono. Né il cocciniglia né i due batteri possono produrre da soli la fenilalanina; dipendono l'uno dall'altro per colmare le lacune nei loro repertori. Questo mi ricorda i Graeae della mitologia greca: le tre sorelle che condividono un occhio e un dente tra loro. Qualsiasi altra cosa sarebbe ridondante: la loro disposizione, anche se strana, consente loro di vedere e masticare. Lo stesso vale per la cocciniglia e i suoi simbionti. Hanno finito con una singola rete metabolica, distribuita tra i loro tre genomi complementari. Nell'aritmetica della simbiosi, uno più uno più uno può eguagliarne uno.
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Il mondo che ci circonda è un gigantesco serbatoio di potenziali partner microbici. Ogni boccone potrebbe portare nuovi microbi che digeriscono una parte in precedenza indistruttibile dei nostri pasti, o che disintossicano i veleni in un cibo precedentemente non commestibile, o che uccidono un parassita che in precedenza ha soppresso il nostro numero. Ogni nuovo partner potrebbe aiutare il suo ospite a mangiare un po 'di più, viaggiare un po' oltre, sopravvivere un po 'più a lungo.
La maggior parte degli animali non può attingere deliberatamente a questi adattamenti open source. Devono fare affidamento sulla fortuna per dotarli dei partner giusti. Ma noi umani non siamo così limitati. Siamo innovatori, pianificatori e risolutori di problemi. E abbiamo un enorme vantaggio che manca a tutti gli altri animali: sappiamo che esistono i microbi! Abbiamo ideato strumenti in grado di vederli.
Possiamo farli crescere deliberatamente. Disponiamo di strumenti in grado di decifrare le regole che regolano la loro esistenza e la natura delle loro partnership con noi. E questo ci dà il potere di manipolare intenzionalmente queste collaborazioni. Possiamo sostituire le comunità vacillanti di microbi con altre nuove che porteranno a una salute migliore. Siamo in grado di creare nuove simbiosi che combattono le malattie. E possiamo rompere antiche alleanze che minacciano la nostra vita.
Dal prossimo libro CONTENO MULTITUDINE: I microbi dentro di noi e una visione più grande della vita di Ed Yong. Copyright © 2016 di Ed Yong. Sarà pubblicato il 9 agosto da Ecco, un'impronta di HarperCollins Publishers. Ristampato per autorizzazione .
