Tipărire
Categorie: Genetică
Accesări: 2995

HologenomulDeparte de a reprezenta simpli paraziţi pasivi, microbii care trăiesc alături de diverse organisme ar putea chiar să influenţeze şi să modeleze evoluţia speciilor de plante şi animale care le sunt gazde. În continuare, un amplu articol despre o teorie surprinzătoare.

 

 

 

Activitatea de management al cadavrelor poate fi una complicată. Îngroapă-le într-un mormânt de mică adâncime şi animalele înfometate au posibilitatea să le dezgroape. Corpul nostru are parte de o problemă similară atunci când vine vorba de eliminarea substanţelor nedorite. Una dintre căile prin care ficatul purifică sângele este prin adăugarea echivalentului unei etichete de tipul “zdrobeşte acest lucru” moleculelor, dar această etichetă este constituită dintr-un tip de zahăr, iar bacteriile din intestinul nostru prezintă o apetenţă pentru dulce. Unele produc o enzimă specială care le permite să secţioneze zahărul şi să-l digereze, lucru care duce uneori la reciclarea diverşilor compuşi în interiorul corpului, nu la eliminarea lor.

În trecut, în anii ’80, Richard Jefferson a folosit această enzimă pentru a dezvolta o tehnică folosită în prezent de mii de geneticieni din toată lumea. În acelaşi timp, el a fost interesat de rolul normal al enzimei. Efectul său de reciclare ajută la determinarea nivelurilor din sânge a mai multor compuşi, incluzând aici substanţe importante cum ar fi hormonii sexuali. Jefferson a înţeles faptul că bacteriile din interiorul nostru, departe de a fi numai nişte elemente pasive, trebuie să ne afecteze în moduri mult mai profunde.

În deceniul trecut, acest punct de vedere a început să fie acceptat pe scară largă. Studiu după studiu au scos la iveală modul în care microbii care trăiesc în noi şi pe noi – microbiomul – ne pot afecta sănătatea şi chiar fericirea. Dar în anii ’80 Jefferson a dus această idee încă şi mai departe. Dacă microbii sunt atât de importanţi, a gândit el, ei trebuie să joace un rol important şi în evoluţie. El a produs aşa-numita teorie hologenomică a evoluţiei. “Hologenomul este cea mai mare descoperire a vieţii mele”, spune el.

Jefferson s-a ocupat şi de perfecţionarea tehnicii sale de inginerie genetică, dar şi cu organizarea primului studiu de teren asupra unei plante obţinute prin inginerie genetică, în anul 1987. Mai târziu, el a renunţat la domeniul academic şi a devenit celebru pentru eforturile sale de a face ca biotehnologia să devină accesibilă tuturor, astfel încât să poată fi utilizată pentru beneficiul tuturor şi nu doar al câtorva corporaţii bogate. El nu a ajuns să formuleze în scris teoria hologenomului, deşi a vorbit des despre ea în cadrul conferinţelor la care a participat.

Câteva decenii mai târziu, un alt cercetător vine cu aceeaşi idee, dându-i chiar acelaşi nume. Şi, deşi vorbim de o abordare aflată la început de drum, încep să apară indicii că microbii simbiotici pot să joace un rol mult mai mare decât s-ar fi crezut în evoluţie.

Ceea ce l-a surprins pe Jefferson este faptul că microbiomul nostru joacă un rol critic în unele procese cheie. Nivelurile de hormoni sexuali ne afectează evident în mai multe feluri, de exemplu – şi aproape 65 la sută din testosteronul circulant trece prin microbi, conform unui studiu citit de Jefferson la acea vreme.

Microbii sunt, de asemenea, importanţi în producerea micilor molecule aromatice care ne oferă un miros unic, chiar dacă nu întotdeauna şi acceptabil din punct de vedere social. Corpul nu secretă aceste molecule în mod direct. În schimb secretă nişte precursori numiţi androsteni care sunt convertiţi de bacteriile care trăiesc la nivelul pielii noastre în androstenoli volatili la care ne referim uneori folosind termenul de feromoni. Deşi rolul acestor molecule în atracţia sexuală umană este extrem de controversat, ele joacă un rol important în cazul unor animale. “Fertilitatea, fecunditatea şi alegerea partenerului – marea troică a selecţiei darwiniene – sunt toate influenţate de microbiom”, spune Jefferson.

Acest lucru sugerează faptul că succesul în reproducere al plantelor şi al animalelor ar putea depinde în parte de setul particular de microbi deţinut de fiecare individ. Desigur, noi cunoaştem faptul că paraziţii şi bolile au un impact negativ imens asupra stării de sănătate, dar Jefferson a descoperit faptul că microbii pot ajuta la îmbunătăţirea sănătăţii. În fapt, el a ajuns la concluzia că ei sunt atât de importanţi încât în loc de a privi o plantă sau un animal ca entităţi individuale, ar trebui să ne gândim la întregul colectiv, incluzând aici microbiomul – “unitatea de performanţă”.

“Această unitate cuprinde contribuţiile a mai multe, uneori mii, de genomuri individuale, în combinaţii şi numere variabile”, a precizat Jefferson în cadrul unei conferinţe din Cold Spring Harbor, New York, care a avut loc în anul 1994, în cadrul căreia şi-a prezentat pe scurt ideile. Şi exact această unitate de performanţă, a argumentat Jefferson, este unitatea de selecţie.

Între timp, microbiologul Eugene Rosenberg de la Universitatea Tel Aviv, Israel, studia coralii din estul Mării Mediterane. O creştere a temperaturii mării a condus la episoade de albire a coralilor, fenomen care are loc atunci când coralii îşi pierd algele care sunt responsabile cu producerea celei mai mari părţi a hranei lor. În cazul speciei de coral Oculina patagonica, Rosenberg a descoperit faptul că creşterea temperaturilor a dus la infecţia cu bacteria Vibrio shiloi, responsabilă de declanşarea albirii.

Rosenberg a crezut că infecţia răspândită pe scară largă cu Vibrio va duce la dispariţia populaţiei de coral. Aceste vieţuitoare nu sunt dotate cu un sistem imunitar adaptiv pregătit cu adevărat pentru lupta cu bolile, neputând supravieţui unor perioade prelungite sau repetate de albire. Raţionamentul lui Rosenberg era unul greşit. Până la începutul anilor 2000, coralii deveniseră rezistenţi la Vibrio. Având în vedere faptul că nici bacteria, şi nici coralul nu păreau a se fi schimbat, Rosenberg şi colegii săi au propus ideea că responsabilă pentru acest fenomen ar trebui să fie o modificare în microbiomul coralului. Coralii găzduiesc numeroşi microbi împreună cu alge fotosintetice, iar o modificare în acest ansamblu le-ar putea permite să distrugă bacteria invadatoare Vibrio.

Această idee este una controversată – unii cercetători cred că sistemul imunitar al coralului se poate adapta. Ceea ce contează, cu adevărat, este modul în care toate acestea au influenţat modul de gândire asupra problemei al lui Rosenberg. El cunoştea faptul că cele mai multe animale au rol de gazdă pentru largi game de microbi care sunt transmişi de la o generaţie la alta, direct sau indirect. Cercetările sale asupra coralilor l-au ajutat să înţeleagă, asemenea lui Jefferson înaintea sa, faptul că supravieţuirea unui animal – sau starea sa de sănătate – depinde uneori nu numai de propriile sale gene, dar, de asemenea, de cele ale microbilor pe care el îi moşteneşte. Dacă o modificare în microbiom poate să facă coralii rezistenţi la infecţie, iar această modificare poate fi transmisă mai departe altor generaţii, atunci aceşti corali chiar au dezvoltat evolutiv o nouă abilitate, chit că genomul lor este nemodificat.


Bacteriile sunt una cu noi ("Bugs R Us")

Separarea unui organism de microbiomul său este una artificială, susţine Rosenberg. În ochii selecţiei naturale, spune el, ele sunt un singur organism. Ceea ce este selectat este combinaţia dintre genomul gazdei şi genomurile microbiomului. Asemenea lui Jefferson, Rosenberg a numit această combinaţie hologenom, de la termenul de holobiont – care descrie entitatea colectivă formată de simbionţi. Holobiontul poate fi descris ca fiind un superorganism, a scris Rosenberg într-o lucrare publicată în 2007.

În mod similar, Jefferson argumentează faptul că toate bacteriile care realizează funcţii utile în şi pe corpul nostru nu sunt doar simbionţi. Mai degrabă ele sunt parte din noi, după modelul unor muncitori aflaţi la distanţă, angajaţi de o companie gigant care externalizează locurile de muncă din domeniul manufacturier. Munca lor este la fel de importantă pentru companie, chiar dacă este realizată de muncitori din străinătate care nu sunt angajaţi direct. “Bugs R Us”, după formularea lui Jefferson. Studii recente oferă sprijin acestei idei, cum ar fi un studiu realizat în 2011 care arată faptul că şoarecii au nevoie de flora microbiană din intestin pentru o dezvoltare normală a creierului.

Foarte important e faptul că microbii noştri pot suferi modificări. Bazându-se pe propria teorie a hologenomului, Rosenberg a prezis faptul că cele mai multe animale moştenesc aceeaşi microbi ca şi generaţiile precedente, iar speciile strâns înrudite vor avea microbiomuri strâns înrudite. Dar modificările produse în microbiom – de la modificarea proporţiei diferiţilor microbi la dobândirea altora noi – pot permite holobiontului să se adapteze rapid la circumstanţele schimbătoare din mediu şi chiar să dobândească noi abilităţi în timpul vieţii. Dacă punem problema în acest fel, a spus Rosenberg, vom ajunge la noi descoperiri.

Aceste idei au fost bine primite în rândul microbiologilor. Până la urmă, după cum însuşi Rosenberg nota, “s-a spus dintotdeauna că ‘bacteriile sunt pe primul loc’”. Ecologul microbian Seth Bordenstein de la Universitatea Vanderbilt din Nashville, Tennessee, spune că eucariotele – plantele şi al animalele – sunt superorganisme. “Ar trebui să cercetăm întregul repertoriu de informaţie genetică care contribuie la funcţionarea unei eucariote”, spune el.

Într-un studiu recent echipa lui Bordenstein a tratat termitele cu rifampicină antibiotică pentru a le distruge o parte din microbi. S-a descoperit că, de pildă, coloniile construite de către termite tratate cu antibiotic au produs mai puţini urmaşi decât alte colonii. Un posibil motiv pentru aceasta este faptul că perturbarea florei microbiene din intestinul unei termite reduce abilitatea insectei de a extrage nutrienţii din hrană.

Bordenstein a descoperit şi că, în cazul viespilor Nasonia, speciile care prezintă o legătură evolutivă mai apropiată prezintă, de asemenea, şi o floră microbiană similară, după cum prezisese Rosenberg. Dar, în ciuda acestor descoperiri, conceptul de hologenom nu a fost primit cu căldură în cercurile biologiei evoluţioniste.

“Aş spune că cea mai mare parte a biologilor evoluţionişti ar fi de acord că există multă colaborare, dar şi loc şi pentru conflicte”, spune Andy Gardner de la Universitatea Oxford, care studiază evoluţia colectivă. “Deci aş fi mai puţin tentat să pun la un loc toate aceste celule ca un organism unic, integrat pentru că uneori celulele microbiale vor face lucruri care nu sunt benefice pentru gazdă.”

Un alt motiv al scepticismului este existenţa dimensiunii lamarckiene a teoriei hologenomului. La începutul secolului 19, Jean-Baptiste Lamarck a elaborat o teorie a evoluţiei încorporând pe atunci populara idee că organismele pot transmite mai departe caracteristicile dobândite în timpul vieţii. Astfel, girafele şi-au dobândit gâturile lungi pentru că aveau obiceiul de a-şi întinde gâtul. Darwin avea o idee similară, dar astfel de idei au fost discreditate ca urmare a dezvoltării geneticii moderne. Teoria hologenomului sugerează într-adevăr faptul că animalele pot uneori evolua prin moştenirea unor caracteristici dobândite, spune Rosenberg, dar fac acest lucru într-un mod care poate fi verificat prin experimente.

După ce şi-a publicat ideile, el şi soţia sa, Ilana Zilber-Rosenberg, au început să răscolească prin literatura de specialitate pentru a găsi studii înrudite. Ei au dat peste o lucrare din 1989 a Dianei Dodd, pe atunci cercetător post-doctoral la Universitatea Yale, care descoperise faptul că schimbarea dietei unei specii de musculiţă de fructe putea să-i altereze deciziile de împerechere după doar două generaţii.

“Când am citit acest lucru, am început să sar în sus de bucurie”, a spus Rosenberg. “Trebuiau să fie microbii. Ştiam asta. Nimic altceva nu putea explica o modificare atât de rapidă.”

Pentru a dovedi acest lucru, Rosenberg i-a dat ca sarcină studentului său de la doctorat, Gil Sharon, să încerce să reproducă rezultatele lui Dodd. Desigur, după două generaţii, musculiţele hrănite cu melasă nu s-au mai împerecheat cu alte musculiţe după modelul obişnuit. Apoi, Sharon o folosit rifampicina asupra musculiţelor pentru a le distruge bacteriile. Ulterior, musculiţele obişnuite au putut copula fericite cu musculiţele hrănite cu melasă, arătând astfel faptul că bacteriile erau într-adevăr cele responsabile (PNAS, vol 107, p 20051).

În timpul în care Rosenberg începuse să-şi prezinte rezultatele, Jefferson în sfârşit şi-a găsit timp pentru a posta un rezumat al teoriei sale a hologenomului pe blog-ul Cambia, o organizaţie nonprofit pe care el o conduce în Australia. Aceasta a condus la o perioadă încărcată de căutări pe Internet, în timpul căreia el a descoperit lucrarea lui Rosenberg. Jefferson se găsea acum în faţa unei dileme. Pe de o parte, el dorea să-l contacteze pe Rosenberg pentru a afla cum a ajuns la acea idee. Pe de altă parte, după cum însuşi Jefferson o spune: “Oamenii de ştiinţă îţi pot da mari dureri de cap.” Curiozitatea sa a avut până la urmă câştig de cauză şi, pe 10 martie 2010, Jefferson s-a aşezat la birou şi a început să scrie. “Dragă Profesore Rosenberg”, începea email-ul, “scriu ca să vă complimentez pe dumneavoastră şi pe Profesorul Zilber-Rosenberg pentru lucrările clare, lucide şi captivante din ultimii ani asupra teoriei hologenomului.”

Rosenberg a deschis acest email în dimineaţa următoare. Cine naiba era acest Richard Jefferson, se întreba el? La început, el nu era sigur cum să răspundă, gândindu-se că Jefferson ar putea fi un aiurit. După ce a citit de mai multe ori email-ul, s-a decis totuşi că, aiurit sau nu, el cu siguranţă ştia despre ce vorbeşte. Prin urmare, Rosenberg a răspuns: “Dragă Richard, wow. Nu-ţi poţi imagina cât de bucuros sunt să-ţi citesc email-ul şi blog-ul.”


Creator de noi specii?

Deşi Rosenberg nu ştia la acel moment, rezultatele pe care le dobândise ca urmare a studiului realizat pe musculiţele de fructe se potriveau perfect cu ideile lui Jefferson despre importanţa bacteriilor în fertilitate şi în deciziile de împerechere. Descoperirile au convins mai mulţi alţi biologi să se trezească din amorţeală şi să ia aminte, deoarece ele sunt indicii ale unei posibilităţi interesante.

În timp ce selecţia naturală explică modul în care speciile se schimbă de-a lungul timpului, descrierea modului în care noi specii apar pentru prima oară s-a dovedit a fi mult mai dificilă. Originea Speciilor a lui Darwin nu spunea în fapt nimic despre... originea speciilor. Pe larg, biologii definesc o specie ca fiind un grup de organisme similare care se pot reproduce numai unul cu celălalt. Orice fapt care previne grupurile de la împerecherea organismelor, deci, poate potenţial conduce la formarea de noi specii.

O astfel de izolare reproductivă poate proveni din ridicarea unui nou masiv muntos, din naufragierea pe o insulă îndepărtată, schimbări ale preferinţelor de împerechere sau mutaţii care împiedică două ramuri reproductive să producă urmaşi viabili, deşi există încă multe discuţii asupra detaliilor. Aşadar, în teorie, dacă o schimbare a dietei produce modificări ale bacteriilor din intestine care afectează preferinţele de împerechere ale unei musculiţe, acest fenomen ar putea conduce la scindarea unei specii în alte două noi specii.

Microbiomul ar putea duce la speciaţie şi în alt mod, gândeşte Bordenstein. Atunci când specii diferite de viespe Nasonia sunt încrucişate, multe dintre progeniturile acestora mor în stadiul de larvă. Bordenstein şi Robert Brucker tocmai au terminat anumite experimente care arată faptul că, gândesc ei, aceste morţi au loc ca urmare a faptului că urmaşii au moştenit bacterii incompatibile. Dacă e aşa, asta înseamnă că diferenţele în microbiom pot împiedica împerecherea unor organisme altfel compatibile.


Rolul evolutiv

Într-o recenzie publicată în august, Bordenstein şi Brucker arată şi faptul că dobândirea unor anumiţi microbi le poate oferi animalelor abilitatea de a consuma un nou tip de hrană sau de a supravieţui într-un mediu diferit. În timp, şi acest lucru ar putea, în principiu, să ducă la speciaţie.

Dar acest caz rămâne să fie dovedit. “Eu nu cred că avem încă dovezi ale faptului că a existat speciaţie cauzată de microbi... Nu doresc să merg încă atât de departe”, spune biologul evoluţionist Scott Gilbert de la Swarthmore College din Pennsylvania. “Pot spune doar că simbionţii sunt capabili să ne ofere cazuri de variaţie selectivă.”

Jerry Coyne, biolog evoluţionist de la Universitatea din Chicago, este de acord cu această afirmaţie. “Eu cunosc foarte, foarte puţine cazuri în care endosimbionţii provoacă speciaţie, şi o mulţime de cazuri în care modificările în genele [gazdei] sunt cele responsabile, iar în cazul acestora acele gene au fost cartografiate”, spune el.

Este adevărat, dar noi tocmai ce am început să căutăm, spune Rosenberg. Nu ştim nici măcar care microbi sunt prezenţi în cazul celor mai multe animale, deci nu putem spune care este rolul acestora în evoluţie. Având în vedere valul recent de dovezi despre importanţa florei microbiene, ar putea fi surprinzător dacă acest rol nu ar fi mai mare decât era cunoscut anterior.

Chiar dacă se va dovedi că microbii cu care trăim în simbioză sunt importanţi în formarea unor noi specii, totuşi acest lucru nu susţine conceptul de superorganism dotat cu hologenom, spune David Sloan Wilson de la Universitatea Binghamton din New York, care studiază selecţia de grup. Speciaţia ar putea fi produsul secundar al manipulării realizate de un microb asupra gazdei sale pentru propriul beneficiu, mai degrabă decât al evoluţiei comune a microbilor şi gazdei pentru beneficiul colectiv.

Există puţine semne că teoria hologenomului ar câştiga adepţi în rândurile biologilor evoluţionişti, dar biologi din alte domenii încep să adopte această interpretare. “Avem tendinţa de a ne gândi la microbi ca şi cum ar fi separaţi de genele nucleare, dar eu cred că punctul de vedere cel mai contemporan este acela conform căruia microbiomul este la fel de important ca şi genomul nuclear, iar aceste lucruri ar trebui să fie cercetate împreună”, spune Bordenstein. Descoperirile făcute asupra musculiţelor şi viespilor sugerează faptul că această interpretare poate conduce într-adevăr la noi perspective, după cum pretindea şi Rosenberg. Bordenstein are un ton mai prudent. “Termenii cum ar fi ‘superorganism' şi ‘hologenom’ ajută la înglobarea unei game largi de cercetare”, spune el. “Acest concept simbiotic al vieţii complexe are o relevanţă de bază şi biomedicală şi va rămâne în atenţia noastră.”

Pentru Jefferson există implicaţii încă şi mai largi. Prin ele însele, organismele mari pot evolua doar încet, arată el, dar prin cooperarea cu microbii care au o evoluţie rapidă, ei pot prelua avantajele celor mai noi inovaţii, după cum termitele au dobândit abilitatea de a digera lemnul sau legumele au devenit capabile de a-şi produce propriul fertilizator cu azot.

Jefferson face şi paralele cu lumea modernă. Atunci când companiile îşi păstrează cunoştinţele acumulate şi tehnologia pentru ele însele, progresul este mult mai încet decât în cazul în care le împărtăşesc şi celorlalţi. Începând de la Darwin, aproape tot accentul s-a pus pe competiţie ca fiind forţa motrice din spatele evoluţiei. Deşi este un aspect important, spune Jefferson, cooperarea şi colaborarea sunt încă şi mai vitale.


Mirosul de hienă


Kevin Theis a mirosit-o înainte de a o putea vedea. Furişându-se prin marea savană din Kenia, Theis a detectat substanţa maro, uleioasă pe care o hienă pătată o lăsase pe vârfurile ierburilor pe care le atinsese cu spatele. Acest tip de comportament este echivalentul din lumea hienelor al unei pagini de Facebook, oferind informaţii despre sănătatea animalului, statutul său reproductiv şi rangul social.

Vâscozitatea grasă, urât mirositoare, cunoscută sub numele de “pastă”, conţine o gamă de substanţe chimice secretate de pungile cu secreţie odoriferă aflate în anus. Theis, de la Michigan State University din East Lansing, crede că acest miros este produs de microbii care trăiesc în pungile cu secreţie odoriferă. El a arătat faptul că grupurile diferite de hiene prezintă grupuri diferite de microbi. Având în vedere faptul că comunicarea chimică este foarte importantă pentru societatea şi reproducerea hienelor, modificările produse în conţinutul de bacterii al pastei ar putea ajuta la evoluţia hienelor. Ar fi putut juca un rol important cu 4 milioane de ani în urmă, atunci când strămoşul hienelor a dat naştere la două noi specii, hiena pătată şi hiena dungată.


Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului The hologenome: A new view of evolution, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Alexandru Huţupanu