Читать книгу Cicha władza mikrobów - Alanna Collen - Страница 7

W maju 2000 roku, na kilka tygodni przed ogłoszeniem pierwszego szkicu ludzkiego genomu, pośród naukowców siedzących w barze laboratorium Cold Spring Harbor w stanie Nowy Jork zaczął krążyć notes. Narastała ekscytacja związana z następną fazą tego projektu, w ramach której sekwencja DNA miała zostać rozbita na swe funkcjonalne elementy, czyli geny. Ów notes zawierał zakłady, domysły najlepiej poinformowanych ludzi na świecie co do intrygującej kwestii: ile potrzeba genów, żeby zbudować człowieka?

Lee Rowen, badaczka kierująca grupą rozszyfrowującą chromosomy 14 i 15, pociągnęła łyk piwa, zastanawiając się nad tym pytaniem. Geny produkują białka, cegiełki życia, więc sama złożoność ludzi kazała sądzić, że ta liczba będzie raczej wysoka. Z pewnością wyższa niż u myszy, o których było wiadomo, że posiadają 23 000 genów. Prawdopodobnie wyższa także niż u pszenicy, mającej 26 000 genów. A już z pewnością znacznie większa niż u „Robala”, ulubionego gatunku laboratoryjnego biologów rozwoju, wyposażonego w 20 500 genów.

Choć domysły krążyły na ogół wokół 55 000 genów, a ich największa wartość sięgnęła 150 000, doświadczenie pani Rowen skłaniało ją do skromności. W tamtym roku obstawiła 41 440 genów, co rok później skorygowała do zaledwie 25 947 genów. W roku 2003, kiedy prawdziwa liczba genów zaczęła wyłaniać się z prawie już ukończonej sekwencji, Rowen wygrała zakład. Obstawiła najskromniej spośród wszystkich 165 uczestników, a najnowsze obliczenie spadło właśnie poniżej najniższej wartości, jaką przewidział którykolwiek z typujących naukowców.

Ze swoimi 21 000 genów ludzki genom jest niewiele większy niż u „Robala” (C. elegans). Jest o połowę mniejszy niż genom ryżu, prześciga go nawet skromna dafnia, mająca 31 000 genów. A żaden z tych gatunków nie potrafi mówić, tworzyć ani snuć inteligentnych myśli. Można by sądzić, tak jak naukowcy przystępujący do genowego zakładu, że ludzie będą mieli znacznie więcej genów niż trawy, robaki i rozwielitki. W końcu geny produkują białka, a białka tworzą organizmy. Organizm tak złożony i wyrafinowany jak człowiek z pewnością potrzebuje więcej białek, a tym samym więcej genów niż robak.

Lecz te 21 000 to nie jedyne geny, które sterują naszym ciałem. Nie jesteśmy sami. Każdy z nas jest superorganizmem, kolektywem gatunków żyjących ramię w ramię i wspólnie sterujących ciałem, które utrzymuje nas wszystkich. Nad naszymi własnymi komórkami, aczkolwiek znacznie większymi i cięższymi, mają dziesięciokrotną przewagę liczebną komórki drobnoustrojów żyjących na nas i w nas. Te 100 bilionów mikrobów – nazywanych mikrobiomem – to głównie bakterie, mikroskopijne żyjątka, z których każde składa się z zaledwie jednej komórki. Oprócz bakterii są też inne istoty: wirusy, grzyby i archeony. Wirusy są tak małe i proste, że podważają nasze poglądy na temat tego, czym jest „życie”. Aby móc się rozmnażać, są całkowicie zależne od komórek innych organizmów. Żyjące na nas grzyby to częstokroć drożdże. Są bardziej skomplikowane od bakterii, ale nadal stanowią maleńkie, jednokomórkowe organizmy. Archeony to grupa, która wydaje się podobna, ale różni się od nich ewolucyjnie w tym samym stopniu, co bakterie od roślin lub zwierząt. Ogółem mikroby zamieszkujące ludzki organizm zawierają 4,4 miliona genów – tyle wynosi kolektywny genom ludzkiego mikrobiomu. Te wszystkie geny współpracują w sterowaniu naszymi organizmami z 21 000 ludzkich genów. Licząc w ten sposób, jesteśmy ludźmi zaledwie w połowie procenta.

Uproszczone drzewo filogenetyczne ukazujące trzy domeny oraz cztery królestwa domeny eukariotów.

Wiemy dziś, że złożoność ludzkiego genomu wynika nie tylko z liczby genów, które on zawiera, ale także z licznych kombinacji białek, które te geny potrafią tworzyć. Podobnie jak inne zwierzęta, jesteśmy w stanie „wycisnąć” z naszych genomów więcej funkcji, niż na pierwszy rzut oka jest w nich zaszyfrowanych. Jednak geny naszych mikrobów przydają tej mieszaninie jeszcze więcej złożoności, świadcząc ludzkiemu organizmowi usługi, które ewoluują szybciej i są wykonywane łatwiej przez te proste organizmy.

Jeszcze do niedawna badanie tych mikroorganizmów wiązało się z możliwością hodowania ich na szalkach Petriego wypełnionych wywarami z krwi, szpiku kostnego bądź cukrów zawieszonych w żelu. To trudne zadanie. Większość gatunków żyjących w ludzkich jelitach umiera w kontakcie z tlenem, bo ewoluując, po prostu nie nauczyły się go tolerować. Co więcej, hodowanie mikrobów na tych płytkach oznacza, że trzeba zgadywać, jakich składników odżywczych, temperatur i gazów potrzebują, żeby przetrwać, a jeśli nie zdołamy tego dokonać, nie dowiemy się niczego o danym gatunku. Hodowanie drobnoustrojów przypomina sprawdzanie listy obecności na lekcji – jeśli kogoś nie wyczytasz, nie wiesz, czy pojawił się w klasie. Dzisiejsza technologia – sekwencjonowanie DNA, które stało się tak szybkie i tanie dzięki staraniom naukowców pracujących nad projektem poznania ludzkiego genomu – przypomina raczej sprawdzanie dowodów tożsamości przy wejściu; możesz uwzględniać nawet tych, których się nie spodziewałeś.

Kiedy projekt poznania ludzkiego genomu zbliżał się do końca, oczekiwania były wysokie. Sądzono, że to klucz do naszego człowieczeństwa, największe dzieło Boga i święta biblioteka skrywająca tajemnice chorób. Gdy w czerwcu 2000 roku, na kilka lat przed terminem, był gotowy pierwszy szkic, który pochłonął 2,7 miliarda dolarów, amerykański prezydent Bill Clinton ogłosił:

Poznajemy dziś język, w którym Bóg stworzył życie. Ogarnia nas tym samym jeszcze większy podziw dla złożoności, piękna i cudu najświętszego z Bożych darów. Wraz z tą gruntowną, nową wiedzą ludzkość staje na skraju uzyskania nowej mocy uzdrawiania. Poznanie genomu wywrze prawdziwy wpływ na nasze życie – a w jeszcze większym stopniu na życie naszych dzieci. Zrewolucjonizuje diagnozowanie, profilaktykę i leczenie większości, jeśli nie wszystkich ludzkich chorób.

Jednak w następnych latach dziennikarze naukowi z całego świata zaczęli wyrażać rozczarowanie wkładem, jaki znajomość kompletnej sekwencji DNA wniosła w medycynę. Choć rozszyfrowanie naszej „instrukcji użytkowania” jest niezaprzeczalnym osiągnięciem, które zmieniło sposób leczenia kilku ważnych chorób, to na temat przyczyn wielu częstych dolegliwości nie dowiedzieliśmy się tyle, ile oczekiwaliśmy. Poszukiwanie genetycznych odmienności, wspólnych dla osób z określoną chorobą, nie ukazało tylu bezpośrednich związków, ilu się spodziewaliśmy. Częstokroć stany chorobowe były słabo powiązane z dziesiątkami lub setkami wariantów genów, a tylko sporadycznie zdarzało się, że posiadanie pewnej odmiany genu prowadziło wprost do danej choroby.

Tym, czego nie zdołaliśmy pojąć na przełomie stuleci, był fakt, że nasze 21 000 genów nie stanowi pełnej historii. Technika sekwencjonowania DNA, wynaleziona podczas projektu poznania ludzkiego genomu, umożliwiła przeprowadzenie innego ważnego, choć mniej nagłaśnianego przez media programu tego typu, a mianowicie projektu poznania mikrobiomu ludzkiego (Human Microbiome Project – HMP). Poświęcono go w całości badaniu genomów drobnoustrojów żyjących w organizmie człowieka – mikrobiomu – aby zidentyfikować obecne w nim gatunki.

Uzależnienie od szalek Petriego oraz nadmiar tlenu nie miały już wstrzymywać badań nad naszymi sublokatorami. HMP, pięcioletni program sekwencjonowania DNA, z budżetem wynoszącym 170 milionów dolarów, miał rozszyfrować tysiące razy więcej informacji niż HGP. Dotyczył drobnoustrojów zamieszkujących 18 różnych siedlisk w ludzkim organizmie. Miało to być znacznie bardziej rozległe badanie genów czyniących z osoby zarówno istotę ludzką, jak i mikrobową. Po zakończeniu pierwszej fazy HMP w 2012 roku żaden ze światowych przywódców nie wygłosił tryumfalnego oświadczenia i tylko garstka czasopism poinformowała o tym fakcie. Ale Human Microbiome Project miał trwać nadal, dostarczając więcej wiedzy o tym, co to znaczy być człowiekiem, niż kiedykolwiek uczynił to nasz własny genom.

Odkąd pojawiło się życie, gatunki wykorzystywały się nawzajem, a drobnoustroje okazały się szczególnie sprawne w zasiedlaniu najdziwniejszych miejsc. Przy ich mikroskopijnych rozmiarach ciało innego organizmu – zwłaszcza dużego kręgowca takiego jak człowiek – daje im nie tylko jedną niszę, ale cały świat, pełen siedlisk, ekosystemów i możliwości. Ludzkie ciało, równie zmienne i dynamiczne jak nasza wirująca planeta, posiada chemiczny klimat z hormonalnymi przypływami i odpływami oraz skomplikowanymi krajobrazami, które zmieniają się z wiekiem. Dla mikrobów to raj.

Ewoluowaliśmy ramię w ramię z drobnoustrojami, jeszcze zanim staliśmy się ludźmi, a nawet zanim nasi przodkowie stali się ssakami. Każde zwierzę, od najmniejszej muszki owocówki po największego walenia, jest kolejnym światem dla mikroorganizmów. Pomimo negatywnych ocen, na które wiele z nich zasługuje, wywołując choroby, rola gospodarza tych maleńkich form życia może być wyjątkowo opłacalna.

Kałamarnica Euprymna scolopes – wielkooka i kolorowa jak postać z filmu wytwórni Pixar – minimalizuje czyhające na nią zagrożenia, zapraszając pewien gatunek bioluminescencyjnej bakterii do życia w specjalnym zagłębieniu swego podbrzusza. Jest to narząd świetlny, w którym owa bakteria, Aliivibrio fischeri, zamienia pożywienie w światło, dzięki czemu oglądana z dołu kałamarnica się jarzy. Ten blask sprawia, że jej sylwetka zlewa się z oświetloną przez księżyc powierzchnią oceanu, co utrudnia jej dostrzeżenie drapieżnikom nadpływającym z głębin. Kałamarnica zawdzięcza tę ochronę żyjącym w niej bakteriom, a one zawdzięczają jej dom.

Takie utrzymywanie mikrobowego źródła światła może się wydawać bardzo pomysłowe, ale Euprymna scolopes nie jest bynajmniej jedynym zwierzęciem zwiększającym szanse przeżycia dzięki drobnoustrojom w swoim ciele. Strategie przetrwania są liczne i zróżnicowane, a kooperacja z mikroorganizmami była siłą napędową ewolucji, odkąd 1,2 miliarda lat temu na Ziemi po raz pierwszy pojawiły się istoty złożone z więcej niż jednej komórki.

Im większa liczba komórek składa się na jakiś organizm, tym więcej mikrobów może na nim żyć. Prawdę mówiąc, duże zwierzęta, takie jak krowy, są dobrze znane z gościnności dla bakterii. Krowy jedzą trawę, ale korzystając z własnych genów, mogłyby wydobyć bardzo niewiele składników odżywczych z tej włóknistej diety. Potrzebowałyby do tego specjalistycznych białek zwanych enzymami, które potrafią rozbijać twarde cząsteczki tworzące ściany komórek trawy. Wytworzenie na drodze ewolucji genów produkujących takie enzymy mogłoby trwać tysiąclecia, bo ewolucja wykorzystuje przypadkowe mutacje kodu DNA, które mogą się przydarzać tylko w kolejnych pokoleniach.

Szybszym sposobem uzyskania dostępu do substancji odżywczych zamkniętych w trawie jest podzlecenie tego zadania specjalistom – mikrobom. Cztery komory krowiego żołądka zawierają liczone w bilionach populacje bakterii rozkładających włókna roślinne. Kłąb tych włókien, wędrując tam i z powrotem, podlega na przemian mieleniu w krowim pysku i rozkładowi chemicznemu przez enzymy, produkty drobnoustrojów żyjących w krowich wnętrznościach. Uzyskanie odpowiednich genów jest dla mikrobów łatwe, bo czas ich życia, a tym samym możliwość wystąpienia mutacji, częstokroć nie przekracza jednego dnia.

Skoro kałamarnice i krowy potrafią czerpać korzyści ze współpracy z mikroorganizmami, to czy my, ludzie, też możemy to robić? Wprawdzie nie jemy trawy i nie posiadamy czterokomorowych żołądków, ale mamy własne specjalizacje. Nasze żołądki są małe i proste; ich rola polega na wymieszaniu jedzenia, dorzuceniu kilku enzymów trawiennych i dodaniu odrobiny kwasu w celu zabicia niepożądanych zarazków. Lecz wędrując dalej, przez jelito cienkie, w którym pożywienie jest rozkładane przez kolejne enzymy i wchłaniane do krwiobiegu za pośrednictwem kobierca palcowatych wyrostków, nadających mu powierzchnię kortu tenisowego, dociera się do zaułka wielkości piłki tenisowej, który wyznacza początek jelita grubego. Ten kapciuch, położony w prawej dolnej części tułowia, nosi nazwę jelita ślepego i jest centrum społeczności mikrobów ludzkiego organizmu.

Na końcu jelita ślepego dynda narząd uważany wyłącznie za źródło bólu i infekcji – wyrostek. Jego pełna nazwa – wyrostek robaczkowy – wynika z robakowatego wyglądu, choć równie dobrze można by go porównać do czerwia albo węża. Wyrostki miewają różną długość: od skromnych, mierzących 2,5 cm, do zdecydowanie długich, 25-centymetrowych. Zdarza się, choć rzadko, że ktoś ma aż dwa wyrostki albo nie ma żadnego. Jeśli wierzyć popularnej opinii, byłoby nam lepiej bez wyrostka, bo od ponad stu lat uważa się, że ten narząd nie spełnia żadnej funkcji. Karol Darwin, w książce O pochodzeniu człowieka, kontynuacji dzieła O powstawaniu gatunków, zaliczył wyrostek do narządów „pierwotnych”. Porównawszy go z większymi wyrostkami wielu innych zwierząt, uznał, iż jest to szczątek, który bezustannie więdnie od czasu, gdy ludzie zmienili dietę.

Ponieważ niewiele wskazywało na to, żeby miało być inaczej, szczątkowy status wyrostka raczej nie był kwestionowany przez następne sto lat, a pogląd o jego bezużyteczności ugruntowała tendencja tego narządu do sprawiania kłopotów. Medyczny establishment uznał wyrostek za coś tak niepotrzebnego, że do lat 50. XX wieku jego usunięcie stało się jedną z najczęstszych procedur medycznych przeprowadzanych w krajach rozwiniętych. Często dokonywano tego dodatkowo, przy okazji innych operacji brzusznych. W którymś momencie prawdopodobieństwo usunięcia wyrostka wynosiło jeden do ośmiu u mężczyzn, a u kobiet jeden do czterech. 5–10 procent ludzi miało w którymś momencie życia usuwany wyrostek, zazwyczaj zanim mieli dzieci. Bez leczenia prawie połowę czekałaby śmierć.

I tu powstaje zagadka. Gdyby zapalenia wyrostka były naturalną chorobą, często prowadzącą do śmierci w młodym wieku, to szybko zostałyby wyeliminowane przez dobór naturalny. Ci, którzy mieliby wyrostki wystarczająco duże, by doznać infekcji, umieraliby, najczęściej nie doczekawszy się potomstwa, a tym samym nie mogliby przekazać swych genów formujących wyrostki. Z czasem miałoby je coraz mniej ludzi, aż w końcu człowiek utraciłby wyrostek. Dobór naturalny preferowałby tych, którzy go nie mają.

Treść dostępna w pełnej wersji eBooka.