奇跡的な微生物が私たちをより良く、より速く、より強く進化させるのにどのように役立つか| 科学| スミソニアン - 記事、科学、心身

あなたが生まれたとき、あなたはあなたの遺伝子の半分をあなたの母親から、半分をあなたの父親から受け継ぎました。それはあなたのくじです。これらの継承されたDNAの断片は、これ以上の追加や省略なしで、一生あなたに残ります。あなたは私の遺伝子を持つことができず、私はあなたの遺伝子を取得することはできません。

私は多数を含んでいます：私たちの中の微生物と生命の壮大な見方

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60年後、HGTは細菌の生活の最も深い側面の1つであることを知っています。これにより、バクテリアは猛烈な速度で進化します。彼らが新たな課題に直面したとき、彼らは既存のDNA内に正しい突然変異がゆっくりと蓄積するのを待つ必要はありません。彼らは、手近な課題にすでに適応している傍観者から遺伝子を拾い上げることで、適応を大々的に借りることができます。これらの遺伝子には、未利用のエネルギー源を破壊するための食事セット、抗生物質から保護するシールド、または新しい宿主に感染するための兵器が含まれます。革新的な細菌がこれらの遺伝的ツールの1つを進化させると、その隣人は同じ特性をすぐに得ることができます。このプロセスは、微生物を無害な腸内居住者から病気を引き起こすモンスターに、平和なジェキルから邪悪なハイドに即座に変えることができます。

また、殺しやすい脆弱な病原体を、私たちの最も強力な薬でさえすくむ悪夢のような「スーパーバグ」に変えることができます。これらの抗生物質耐性菌のspread延は、間違いなく21世紀の公衆衛生上の最大の脅威の1つであり、HGTの強力な力の証です。

動物はそれほど速くありません。私たちは通常のゆっくりと着実な方法で新しい課題に適応します。人生の課題に最適な突然変異を残した個体は、生き残り、遺伝的才能を次世代に引き継ぐ可能性が高くなります。時間が経つにつれて、有用な突然変異はより一般的になり、有害な突然変異は消えていきます。これは古典的な自然selectionであり、個体ではなく個体群に影響を与えるゆっくりとした着実なプロセスです。スズメバチのタカ、および人間は徐々に有益な突然変異を蓄積するかもしれませんが、その個々のスズメバチ、またはこの特定のタカ、またはそれらの特定の人間は自分自身のために有益な遺伝子を拾うことができません。

場合を除き、可能です。彼らは共生微生物を交換し、微生物遺伝子の新しいパッケージを即座に獲得することができました。彼らは新しい細菌を体内の細菌と接触させることができるため、外来遺伝子が微生物叢に移動し、本来の微生物に新しい能力を吹き込みます。まれではありますが劇的な機会に、微生物の遺伝子を自分のゲノムに組み込むことができます。

興奮するジャーナリストは、HGTがダーウィンの進化の見方に異議を唱えると主張することを好むことがあります。（「ダーウィンは間違っていた」と悪名高いニューサイエンティストのカバーを宣言しましたが、間違っています。）これは真実ではありません。 HGTは動物のゲノムに新しいバリエーションを追加しますが、これらのジャンプ遺伝子が新しい家に到着しても、それらはまだ古き良き自然選択の対象となります。

有害なものは新しいホストとともに死にますが、有益なものは次世代に引き継がれます。これは、古典的なダーウィニアンと同じです。風味はバニラで、速度は例外的です。微生物と提携することにより、進化的音楽のゆっくりとした意図的なアダージョを、活発で活発なアレグロのアレゴに早めることができます。

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日本の海岸に沿って、赤茶色の海藻が潮流にさらされた岩にしがみついています。これは海苔としてよく知られているポルフィラであり 、1、300年以上にわたって日本の胃を満たしました。最初に、人々はそれを食用ペーストにすりつぶしました。その後、彼らはそれをシートに平らにし、寿司の一切れを包みました。この習慣は今日も続いており、海苔の人気は世界中に広がっています。それでも、日本とは特別な結びつきがあります。海苔の消費という国の長い遺産により、人々は海の野菜を消化するための設備が特に整っています。藻を分解する酵素はなく、腸内のほとんどのバクテリアも分解しません。

しかし、海には設備の整った微生物がたくさんあります。これらの1つ、 Zobellia galactanivoransと呼ばれる細菌は、 ほんの 10年前に発見されましたが、ずっと長い間海藻を食べてきました。 ゾベリアは何世紀も前、日本の沿岸に住んでいて、海藻の上に座って消化している。突然、その世界は根こそぎになりました。漁師が海藻を集めて、海苔を作るのに使います。彼の家族はこれらの一口をオオカミにし、そうすることでゾベリアを飲み込みます。バクテリアは新しい環境にいることに気づきます。胃液の代わりに冷たい塩水が使用されています。海洋微生物の通常の同族体は、奇妙で馴染みのない種に置き換えられました。そして、これらのエキゾチックな見知らぬ人と混ざり合うと、バクテリアが出会ったときに通常行うことをします。遺伝子を共有しています。

これは、Jan-Hendrick HehemannがBacteroides plebeiusと呼ばれる人間の腸内細菌でZobelliaの遺伝子の1つを発見したために起こったことを知っています。発見は完全な衝撃でした。陸の人間の腸内で海洋遺伝子は一体何をしていたのでしょうか？答えはHGTに関係しています。 ゾベリアは腸内での生活に適応していないため、海苔の一片に乗ったとき、それは動きませんでした。しかし、その短い在職期間中に、ポルフィラナーゼと呼ばれる海藻消化酵素を構築するものを含め、 B。plebeiusにその遺伝子の一部を簡単に寄付できたはずです。

突然、腸の微生物は海苔にある独特の炭水化物を分解する能力を獲得し、仲間が使用できないこの排他的なエネルギー源をごちそうすることができました。ヘーマンは、他の消化管ベースの種ではなく、海洋微生物に最も近い対応物が存在する遺伝子でいっぱいであることを発見しました。海の微生物から遺伝子を繰り返し借用することで、海の野菜の消化に長けています。

B. plebeiusは、海洋酵素を盗み出すだけではありません。日本人は長い間海苔を食べてきたので、彼らの腸内微生物は海洋生物の消化遺伝子で覆われています。しかし、そのような移動がまだ続いているとは考えられません。現代のシェフが海苔をローストして調理し、ヒッチハイクしている微生物を焼却します。何世紀も前の人たちは、原料を生で食べることによって、そのような微生物を内臓に輸入することしかできませんでした。

彼らはその後、海藻を破壊するポルフィラナーゼ遺伝子を搭載した腸内微生物を子どもたちに渡しました。ヘーマンは、今日も同じ相続の兆候を見ました。彼が研究した人々の一人は、離乳していない女の赤ちゃんでした。彼女は人生で一口の寿司を食べたことはありませんでした。それでもなお、彼女の腸内細菌には、母親と同じようにポルフィラナーゼ遺伝子がありました。彼女の微生物は、海苔をむさぼり食うために事前に適応された。

Hehemannは2010年に彼の発見を発表しましたが、それは今でも最も印象的な微生物叢の物語の1つです。海藻を食べるだけで、過去数世紀の日本人は、海から陸への信じられないほどの航海に関する消化遺伝子のグループを予約しました。遺伝子は、海洋微生物から腸内微生物に水平方向に移動し、次に腸内微生物から垂直方向に垂直に移動しました。彼らの旅行はさらに進んだかもしれません。当初、ヘーマンは、日本の微生物叢ではポルフィラナーゼの遺伝子しか見つけることができず、北米の微生物叢では見つけることができませんでした。それは今変わりました：一部のアメリカ人は、アジア系ではない人でさえ明らかに遺伝子を持っています。

どうしてこうなりました？ B.プレベイウスは日本の内臓からアメリカの内臓に飛び込んだのか？遺伝子は他の海洋微生物に由来し、さまざまな食物に乗っていましたか？ウェールズとアイルランド人は海苔と呼ばれる料理を作るために長い間ポルフィラ海藻を使用してきました。彼らはポルフィラナーゼを獲得し、大西洋を横断して運んだのでしょうか？今のところ、誰も知りません。しかし、このパターンは「これらの遺伝子が最初の宿主に衝突すると、それがどこで起こっても、個体間で分散できることを示唆している」とヘーマンは言う。

これは、HGTが付与する適応速度の素晴らしい例です。人間は、海藻の炭水化物を分解できる遺伝子を進化させる必要はありません。これらの物質を消化できる十分な微生物を飲み込むと、私たち自身のバクテリアがHGTを介してトリックを「学習」する可能性があります。

HGTは近接に依存しており、私たちの体は微生物を密集した群集に集めることで、巨大なスケールで近接を設計します。都市はイノベーションのハブであると言われています。都市は人々を同じ場所に集中させ、アイデアや情報がより自由に流れるようにするためです。同様に、動物の体は、DNAが雑然とした微生物の塊の間をより自由に流れるようにするため、遺伝子革新のハブです。目を閉じて、ある微生物から別の微生物に受け継がれる遺伝子のかせがあなたの体の周りを通り抜けている様子を想像してください。私たちは、細菌のトレーダーが遺伝子製品を交換する活気のある市場です。

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動物の体には非常に多くの微生物が生息しているため、その遺伝子がゲノムに侵入することがあります。そして、時には、これらの遺伝子は新しいホストに信じられないほどの能力を与えます。

コーヒーベリーボーラービートルは、バクテリアの遺伝子を独自のゲノムに組み込んだ害虫であり、その幼虫はコーヒー豆内の炭水化物の豊かな宴会を消化することができます。同じ遺伝子やそれに類するものを持っている昆虫はありません。バクテリアだけが行います。古代のコーヒー穴あけ機に飛び込むことで、この控えめなカブトムシは世界中のコーヒー栽培地域に広がり、エスプレッソの王室の痛みになりました。

農家には、HGTを嫌う理由がありますが、それを祝う理由もあります。スズメバチの1つのグループ、ブラコノイド、導入された遺伝子により、奇妙な形の害虫駆除が可能になりました。これらのスズメバチのメスは、まだ生きている毛虫に卵を産みます。幼虫に手を与えるために、雌も毛虫にウイルスを注射します。これにより、免疫系が抑制されます。これらはブラコウイルスと呼ばれ、スズメバチの仲間ではなく、スズメバチの一部です 。彼らの遺伝子は、ブラコノイドゲノムに完全に統合されており、その制御下にあります。

ブラコウイルスは家畜化されたウイルスです！スズメバチに完全に依存して繁殖しています。一部の人は、彼らが本当のウイルスではないと言うかもしれません。それらは、それ自体が実体であるというよりは、スズメバチの体の分泌物のようなものです。彼らは古代のウイルスの子孫であり、その遺伝子は先祖のブラコノイドのDNAに侵入し、そこに留まったに違いありません。この合併により、20, 000種を超えるブラコノイドスズメバチが発生し、そのすべてにゲノムにブラコウイルスが含まれています。これは、共生ウイルスを生物兵器として使用する寄生虫の巨大な王朝です。

他の動物は、寄生虫から身を守るために水平に移動した遺伝子を使用しています。結局のところ、細菌は抗生物質の究極の源です。彼らは何十年もの間互いに戦争をしており、彼らのライバルを打ち負かすための遺伝子兵器の広範な兵器庫を発明しました。 taeとして知られる遺伝子ファミリーの1つは、細菌の外壁に穴を開けて致命的な漏れを引き起こすタンパク質を作ります。これらは、他の微生物に対する使用のために微生物によって開発されました。しかし、これらの遺伝子も動物に侵入しています。サソリ、ダニ、ダニにはそれらがあります。イソギンチャク、カキ、ノミ、カサガイ、ナメクジ、ナメクジウオなど、背骨のついた動物の非常に近い親類もそうです。

taeファミリーは、HGTを介して非常に簡単に広がる遺伝子の種類を例示しています。彼らは自給自足であり、彼らの仕事をするために他の遺伝子の支持キャストを必要としません。彼らはまた、抗生物質を作るので、普遍的に有用です。すべての生物はバクテリアと闘わなければならないので、その所有者がバクテリアをより効果的に制御できるようにする遺伝子はすべて、生命の木全体で有益な雇用を見つけるでしょう。それがジャンプをすることができれば、新しいホストの生産的な部分としての地位を確立する良いチャンスがあります。私たち人間は、すべての知性と技術を持って、新しい抗生物質の開発に積極的に取り組んでいるので、これらのジャンプはいっそう印象的です。私たちは何十年も新しいタイプを発見していません。しかし、カチカチやイソギンチャクのような単純な動物は独自の動物を作ることができ、水平方向の遺伝子導入を通じて、多くのラウンドの研究開発に必要なものを即座に達成できます。

これらの物語は、HGTを相加的な力として描写し、微生物と動物の両方に驚くべき新しい力を注入します。しかし、それは減法的でもあります。動物のレシピエントに有用な微生物能力を付与する同じプロセスは、微生物自体を萎縮させて腐敗させ、完全に消えて遺伝的遺産のみが残るようにすることができます。

この現象を最もよく例証する生き物は、世界中の温室や畑で見つけられ、農民や庭師の悔しさを強く感じます。それは柑橘類のコナカイガラムシです：ふけのフレークのように見える小さな樹液を吸う昆虫、または小麦粉をまぶしたシラミです。共生者の超勤勉な学者であるポール・ブフナーは、昆虫世界のツアーでコナカイガメの一族を訪れました。驚くことではないが、彼は細胞内にバクテリアを見つけた。しかし、より異常なことに、彼は「共生生物が密に埋め込まれている丸みを帯びた、または長くなった粘液球」も説明しました。これらの小球は、科学者がバクテリアの単なる家ではないことを科学者が知った2001年まで、何十年もあいまいに苦しんでいました。それらはバクテリアそのものでした。

シトラスコナカイガラムシは生きているマトリョーシカ人形です。その細胞内には細菌が生息しており、それらの細菌の中にはより多くの細菌が生息しています。バグ内のバグ。大きなものは、ブフナーのもとで学んだイタリアの昆虫学者エルメネジルド・トレンブレイにちなんでトレンブラヤと呼ばれています。小さい方は、アブラムシのラングラーであるナンシー・モランにちなんでモラネラと呼ばれます。（「それはあなたにちなんで名付けられるのは一種の哀れな小さなことです」と彼女は笑顔で私に言った。）

John McCutcheonは、この奇妙な階層の起源を解明しました。そのねじれと回転はほとんど信じられません。それは、コナカイガラムシを定着させる2つの細菌の最初のTremblayaで始まります。それは永住者となり、多くの昆虫共生生物と同様に、自由生活に重要な遺伝子を失いました。新しいホストの居心地の良い範囲内で、より合理化されたゲノムを手に入れる余裕があります。 モラネラがこの双方向の共生に参加したとき、 トレンブラヤは、新しい到着者がたるみを拾うことを保証して、さらに多くの遺伝子を失う余裕がありました。ここで、HGTとは、転覆船から細菌遺伝子を排出することです。それは、そうでなければ共生生物ゲノムを苦しめる避けられない崩壊に失われるであろう遺伝子を保存します。

たとえば、3つのパートナーすべてが協力して栄養素を作ります。アミノ酸フェニルアラニンを作成するには、9つの酵素が必要です。 Tremblayaは1、2、5、6、7 、および8を構築できます。 Moranellaは3、4、および5を作成できます。そして、コナカイガラムシだけで9番目になります。コナカイガラムシも2つの細菌も、フェニルアラニンを単独で作ることはできません。彼らはレパートリーのギャップを埋めるために互いに依存しています。これは、ギリシャ神話のグレアを思い出させます。1人の目と1つの歯を共有する3人の姉妹です。それ以上のものは冗長です：それらの配置は、奇妙ではありますが、それでも彼らが見たり噛んだりできるようにします。したがって、コナカイガラムシとその共生生物と一緒です。彼らは最終的に、3つの相補的ゲノムの間に分布する単一の代謝ネットワークになりました。共生の算術では、1プラス1プラス1は1に等しくなります。

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私たちを取り巻く世界は、潜在的な微生物パートナーの巨大な貯蔵所です。一口ごとに、以前は壊れなかった食事の一部を消化したり、以前は食べられなかった食物の毒を解毒したり、以前は数を抑えていた寄生虫を殺したりする新しい微生物を持ち込む可能性があります。それぞれの新しいパートナーは、ホストがもう少し食べ、少し旅行し、少し長く生き残るのを助けるかもしれません。

ほとんどの動物は、これらのオープンソースの適応を意図的に活用することはできません。彼らは幸運に頼って正しいパートナーを与えなければなりません。しかし、私たち人間はそれほど制限されていません。私たちはイノベーター、プランナー、問題解決者です。そして、他のすべての動物に欠けている大きな利点が1つあります。微生物が存在することはわかっています。 それらを見ることができる機器を考案しました。

意図的に成長させることができます。私たちには、その存在を支配するルールと、私たちとのパートナーシップの性質を解読できるツールがあります。そして、それはそれらのパートナーシップを意図的に操作する力を私たちに与えます。不安定な微生物のコミュニティを、より良い健康につながる新しいコミュニティに置き換えることができます。病気と戦う新しい共生を作り出すことができます。そして、私たちは私たちの生活を脅かす昔からの同盟を破ることができます。