Als Sie geboren wurden, haben Sie die Hälfte Ihrer Gene von Ihrer Mutter und die Hälfte von Ihrem Vater geerbt. Das ist dein Los. Diese ererbten DNA-Teile bleiben für Ihr ganzes Leben bei Ihnen, ohne weitere Ergänzungen oder Auslassungen. Sie können keines meiner Gene haben, und ich kann keines von Ihren erwerben.
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Stellen Sie sich eine andere Welt vor, in der Freunde und Kollegen Gene nach Belieben austauschen können. Wenn Ihr Chef ein Gen hat, das ihn gegen verschiedene Viren resistent macht, können Sie es ausleihen. Wenn Ihr Kind ein Gen hat, das das Risiko einer Krankheit birgt, können Sie es gegen Ihre gesündere Version austauschen. Wenn entfernte Verwandte ein Gen haben, mit dem sie bestimmte Lebensmittel besser verdauen können, gehört es Ihnen. In dieser Welt sind Gene nicht nur Erbstücke, die vertikal von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden müssen, sondern Waren, die horizontal von einem Individuum zum anderen gehandelt werden müssen.
Dies ist genau die Welt, in der Bakterien leben. Sie können DNA so einfach austauschen, wie wir Telefonnummern, Geld oder Ideen austauschen. Manchmal schleichen sie sich aneinander an, stellen eine physische Verbindung her und transportieren DNA-Fragmente über das Äquivalent zum Geschlecht. Sie können auch weggeworfene DNA-Stücke in ihrer Umgebung sammeln, die von ihren toten und verfallenden Nachbarn zurückgelassen wurden. Sie können sich sogar auf Viren verlassen, um Gene von einer Zelle in eine andere zu verschieben. Die DNA fließt so frei zwischen ihnen hin und her, dass das Genom eines typischen Bakteriums mit Genen marmoriert ist, die von Gleichaltrigen stammen. Selbst eng verwandte Stämme können erhebliche genetische Unterschiede aufweisen.
Bakterien führen diese horizontalen Gentransfers, kurz HGT, seit Milliarden von Jahren durch. Erst in den zwanziger Jahren wurde den Wissenschaftlern bewusst, was vor sich ging. Sie stellten fest, dass harmlose Pneumokokkenstämme plötzlich eine Krankheit auslösen können, nachdem sie sich mit den toten und zermahlenen Überresten infektiöser Stämme vermischt haben. Etwas in den Auszügen hatte sie verändert. 1943 zeigte ein „stiller Revolutionär“ und Mikrobiologe namens Oswald Avery, dass es sich bei diesem transformativen Material um DNA handelte, die die nicht infektiösen Stämme absorbiert und in ihr eigenes Genom integriert hatten. Vier Jahre später zeigte ein junger Genetiker namens Joshua Lederberg (der später das Wort „Mikrobiom“ populär machte), dass Bakterien direkter mit DNA handeln können.
Ich enthalte eine Vielzahl: Die Mikroben in uns und eine großartige Sicht auf das Leben
KaufenSechzig Jahre später wissen wir, dass HGT einer der tiefgreifendsten Aspekte des bakteriellen Lebens ist. Es ermöglicht Bakterien, sich mit rasender Geschwindigkeit zu entwickeln. Wenn sie neuen Herausforderungen gegenüberstehen, müssen sie nicht darauf warten, dass sich die richtigen Mutationen langsam in ihrer vorhandenen DNA ansammeln. Sie können Anpassungen einfach im großen Stil ausleihen, indem sie Gene von Zuschauern aufnehmen, die sich bereits an die jeweiligen Herausforderungen angepasst haben. Zu diesen Genen gehören häufig Ess-Sets zum Abbau ungenutzter Energiequellen, Schutzschilde gegen Antibiotika oder Arsenale zur Infektion neuer Wirte. Wenn ein innovatives Bakterium eines dieser genetischen Werkzeuge entwickelt, können seine Nachbarn schnell dieselben Merkmale erhalten. Dieser Prozess kann Mikroben sofort von harmlosen Darmbewohnern in krankheitsverursachende Monster verwandeln, von friedlichen Jekylls zu finsteren Hydes.
Sie können auch anfällige Krankheitserreger, die leicht abzutöten sind, in albtraumhafte „Superbugs“ verwandeln, die sogar unsere wirksamsten Medikamente abschütteln. Die Ausbreitung dieser antibiotikaresistenten Bakterien ist zweifellos eine der größten Bedrohungen für die öffentliche Gesundheit des 21. Jahrhunderts und ein Beweis für die ungezügelte Wirkung von HGT.
Tiere sind nicht so schnell. Wir stellen uns langsam und stetig auf neue Herausforderungen ein. Menschen mit Mutationen, die für die Herausforderungen des Lebens am besten geeignet sind, überleben eher und geben ihre genetischen Fähigkeiten an die nächste Generation weiter. Im Laufe der Zeit häufen sich nützliche Mutationen, während schädliche verblassen. Dies ist eine klassische natürliche Selektion - ein langsamer und stetiger Prozess, der die Bevölkerung und nicht den Einzelnen betrifft. Hornissen feilschen, und Menschen können nach und nach nützliche Mutationen anhäufen, aber diese einzelne Hornisse oder dieser bestimmte Falke oder diese bestimmten Menschen können keine nützlichen Gene für sich selbst aufnehmen.
Außer manchmal können sie. Sie konnten ihre symbiotischen Mikroben austauschen und sofort ein neues Paket mikrobieller Gene erwerben. Sie können neue Bakterien mit denen in ihrem Körper in Kontakt bringen, so dass fremde Gene in ihr Mikrobiom wandern und ihren einheimischen Mikroben neue Fähigkeiten verleihen. In seltenen, aber dramatischen Fällen können sie mikrobielle Gene in ihr eigenes Genom integrieren.
Aufgeregte Journalisten behaupten manchmal gerne, dass HGT Darwins Sicht der Evolution in Frage stellt, indem es Organismen erlaubt, der Tyrannei der vertikalen Vererbung zu entkommen. ("Darwin hat sich geirrt", erklärte ein berüchtigter New Scientist - zu Unrecht.) Dies ist nicht wahr. HGT fügt dem Genom eines Tieres eine neue Variation hinzu, aber sobald diese Springgene in ihrem neuen Zuhause ankommen, unterliegen sie immer noch einer guten alten natürlichen Selektion.
Schädliche sterben zusammen mit ihren neuen Wirten, wohingegen wohltätige an die nächste Generation weitergegeben werden. Dies ist so klassisch darwinistisch wie es nur geht - Vanille in seinem Geschmack und außergewöhnlich nur in seiner Geschwindigkeit. Durch die Partnerschaft mit Mikroben können wir das langsame, bewusste Adagio unserer evolutionären Musik zu einem lebhaften Allegro von ihnen beschleunigen.
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Entlang der Küste Japans haftet ein rotbrauner Seetang an den von Gezeiten überfluteten Felsen. Dies ist Porphyra, besser bekannt als Nori, und es füllt seit über 1.300 Jahren den japanischen Magen. Zuerst mahlen die Leute es zu einer essbaren Paste. Später drückten sie es zu Laken zusammen, die sie um Stückchen Sushi wickelten. Diese Praxis setzt sich bis heute fort und Noris Popularität hat sich auf der ganzen Welt verbreitet. Dennoch hat es eine besondere Bindung an Japan. Aufgrund des langen Erbes des Norikonsums im Land sind die Menschen besonders gut gerüstet, um das Meeresgemüse zu verdauen. Wir haben weder Enzyme, die die Algen abbauen können, noch die meisten Bakterien in unserem Darm.
Aber das Meer ist voller besser ausgerüsteter Mikroben. Eines davon, ein Bakterium namens Zobellia galactanivorans, wurde erst vor einem Jahrzehnt entdeckt, es frisst jedoch schon viel länger Seetang. Stellen Sie sich vor Jahrhunderten Zobellia vor, die in japanischen Küstengewässern lebt, auf einem Stück Seetang sitzt und es verdaut. Plötzlich ist seine Welt entwurzelt. Ein Fischer sammelt die Algen und stellt daraus Noripaste her. Seine Familie schlürft diese Bissen und schluckt dabei Zobellia . Das Bakterium befindet sich in einer neuen Umgebung. Magensäfte wurden durch kaltes Salzwasser ersetzt. Die übliche Ansammlung von Meeresmikroben wurde durch seltsame und unbekannte Arten ersetzt. Und während es sich mit diesen exotischen Fremden mischt, tut es das, was Bakterien normalerweise tun, wenn sie sich treffen: Es teilt seine Gene.
Wir wissen, dass dies geschah, weil Jan-Hendrick Hehemann eines der Gene von Zobellia in einem menschlichen Darmbakterium namens Bacteroides plebeius entdeckte . Die Entdeckung war ein totaler Schock: Was um alles in der Welt tat ein Meeresgen im Darm eines landratten Menschen? Die Antwort betrifft HGT. Zobellia ist nicht an das Leben im Darm angepasst, also blieb es nicht hängen, wenn es sich auf ein Stückchen Nori stürzte . Aber während seiner kurzen Amtszeit hätte es leicht einige seiner Gene an B. plebeius spenden können, einschließlich jener, die Algen verdauende Enzyme, sogenannte Porphyranasen, bilden.
Plötzlich gelang es dieser Darmmikrobe, die einzigartigen Kohlenhydrate von Nori abzubauen und sich an dieser exklusiven Energiequelle zu erfreuen, die ihre Kollegen nicht nutzen konnten. Hehemann fand heraus, dass es voll von Genen ist, deren engste Gegenstücke eher in marinen Mikroben als in anderen darmbasierten Arten vorkommen. Durch das wiederholte Ausleihen von Genen aus Meeresmikroben ist es in der Lage, Meeresgemüse zu verdauen.
B. plebeius ist nicht der Einzige, der Meeresenzyme stiehlt. Die Japaner haben Nori so lange gegessen, dass ihre Darmmikroben mit Verdauungsgenen von ozeanischen Arten gespickt sind. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass solche Übertragungen noch stattfinden: Moderne Köche rösten und kochen Nori und verbrennen dabei per Anhalter auftretende Mikroben. Die Gäste der vergangenen Jahrhunderte haben es nur geschafft, solche Mikroben in ihren Darm zu importieren, indem sie das Zeug roh gegessen haben.
Dann gaben sie ihre Darmmikroben, die jetzt mit Porphyranase-Genen beladen sind, an ihre Kinder weiter. Hehemann sah heute Anzeichen für dasselbe Erbe. Eine der Personen, die er studierte, war ein nicht entwöhntes Mädchen, das in ihrem Leben noch nie einen Schluck Sushi gegessen hatte. Und doch hatten ihre Darmbakterien ein Porphyranase-Gen, genau wie die ihrer Mutter. Ihre Mikroben waren darauf vorbereitet, Nori zu verschlingen.
Hehemann veröffentlichte seine Entdeckung im Jahr 2010 und es bleibt eine der auffälligsten Mikrobiom-Geschichten, die es gibt. Nur durch das Essen von Seetang buchten die japanischen Gäste der vergangenen Jahrhunderte eine Gruppe von Verdauungsgenen auf einer unglaublichen Reise von Meer zu Land. Die Gene wanderten horizontal von Meeresmikroben zu Darm und dann vertikal von Darm zu Darm. Ihre Reisen sind vielleicht noch weiter gegangen. Zunächst konnte Hehemann die Gene für Porphyranasen nur in japanischen und nicht in nordamerikanischen Mikrobiomen finden. Das hat sich jetzt geändert: Einige Amerikaner haben eindeutig die Gene, auch diejenigen, die nicht asiatischer Abstammung sind.
Wie ist das passiert? Ist B. plebeius aus dem japanischen in den amerikanischen Mut gesprungen? Kamen die Gene von anderen Meeresmikroben, die sich an Bord verschiedener Lebensmittel verstauten? Die Waliser und Iren haben Porphyra- Algen lange Zeit verwendet, um ein Gericht mit dem Namen Laver zuzubereiten. hätten sie porphyranasen erwerben können, die sie dann über den atlantik transportierten? Im Moment weiß es niemand. Aber das Muster "legt nahe, dass diese Gene, sobald sie den ursprünglichen Wirt erreichen, sich zwischen den Individuen verteilen können", sagt Hehemann.
Dies ist ein großartiges Beispiel für die Anpassungsgeschwindigkeit, die HGT verleiht. Der Mensch muss kein Gen entwickeln, das die Kohlenhydrate in Meeresalgen abbauen kann. Wenn wir genug Mikroben schlucken, die diese Substanzen verdauen können, besteht jede Chance, dass unsere eigenen Bakterien den Trick durch HGT „lernen“.
HGT hängt von der Nähe ab, und unser Körper entwickelt die Nähe in großem Maßstab, indem er Mikroben in dichten Mengen ansammelt. Es wird gesagt, dass Städte Innovationszentren sind, weil sie die Menschen an derselben Stelle konzentrieren, sodass Ideen und Informationen freier fließen können. Auf die gleiche Weise sind tierische Körper Drehscheiben für genetische Innovationen, da sie einen ungehinderten DNA-Fluss zwischen zusammengewürfelten Mikrobenmassen ermöglichen. Schließen Sie die Augen, und stellen Sie sich Gene vor, die sich durch Ihren Körper schlängeln und von einer Mikrobe zur nächsten wandern. Wir sind geschäftige Marktplätze, auf denen Bakterienhändler ihre genetischen Waren austauschen.
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In Tierkörpern leben so viele Mikroben, dass ihre Gene gelegentlich in unser Genom gelangen. Und manchmal verleihen diese Gene ihren neuen Wirten unglaubliche Fähigkeiten.
Der Kaffee-Beeren-Borer-Käfer ist ein Schädling, der ein Bakteriengen in sein eigenes Genom eingebaut hat, das es seinen Larven ermöglicht, die üppigen Kohlenhydrat-Bankette in Kaffeebohnen zu verdauen. Kein anderes Insekt - nicht einmal sehr nahe Verwandte - hat das gleiche Gen oder etwas Ähnliches; nur Bakterien tun. Durch den Sprung in einen uralten Kaffeebohrer verbreitete sich dieser bescheidene Käfer in Kaffeeanbaugebieten auf der ganzen Welt und wurde zu einem königlichen Schmerz im Espresso.
Landwirte haben also Gründe, HGT zu verabscheuen - aber auch Gründe, es zu feiern. Für eine Gruppe von Wespen haben die braconids übertragenen Gene eine bizarre Form der Schädlingsbekämpfung ermöglicht. Die Weibchen dieser Wespen legen ihre Eier in noch lebenden Raupen ab, die ihre Jungen dann lebendig verschlingen. Um den Maden eine Hand zu geben, injizieren die Weibchen den Raupen auch Viren, die ihr Immunsystem unterdrücken. Diese werden Bracoviren genannt und sind nicht nur Verbündete der Wespen: Sie sind Teil der Wespen. Ihre Gene sind vollständig in das braconide Genom integriert und stehen unter dessen Kontrolle.
Die Bracoviren sind domestizierte Viren! Sie sind für ihre Fortpflanzung völlig auf die Wespen angewiesen. Einige könnten sagen, dass sie keine echten Viren sind. Sie sind fast wie Sekrete des Wespenkörpers und keine eigenständigen Wesen. Sie müssen von einem uralten Virus abstammen, dessen Gene sich in die DNA eines Braconid-Vorfahren eingeschlichen haben und dort geblieben sind. Diese Fusion führte zu über 20.000 Arten von Braconid-Wespen, die alle Bracoviren im Genom haben - eine immense Dynastie von Parasiten, die symbiotische Viren als biologische Waffen einsetzen.
Andere Tiere haben horizontal übertragene Gene verwendet, um sich gegen Parasiten zu verteidigen. Bakterien sind schließlich die ultimative Quelle für Antibiotika. Sie haben Milliarden von Jahren Krieg miteinander geführt und ein umfangreiches Arsenal genetischer Waffen erfunden, um ihre Rivalen zu besiegen. Eine Familie von Genen, bekannt als tae, stellt Proteine her, die Löcher in die Außenwände von Bakterien stechen und tödliche Lecks verursachen. Diese wurden von Mikroben zur Verwendung gegen andere Mikroben entwickelt. Aber diese Gene haben auch Eingang in Tiere gefunden. Skorpione, Milben und Zecken haben sie. So auch Seeanemonen, Austern, Wasserflöhe, Napfschnecken, Meeresschnecken und sogar die Lanzette - ein sehr enger Verwandter von zurückgebliebenen Tieren wie wir.
Die tae- Familie veranschaulicht die Art von Genen, die sich sehr leicht durch HGT verbreiten. Sie sind autark und brauchen keine Unterstützung durch andere Gene, um ihre Arbeit zu erledigen. Sie sind auch universell verwendbar, weil sie Antibiotika herstellen. Jedes Lebewesen muss sich mit Bakterien auseinandersetzen, sodass jedes Gen, das es seinem Besitzer ermöglicht, Bakterien effektiver zu kontrollieren, im gesamten Lebensbaum eine Erwerbstätigkeit ausübt. Wenn es den Sprung schafft, hat es eine gute Chance, sich als produktiver Teil seines neuen Hosts zu etablieren. Diese Sprünge sind umso beeindruckender, als wir Menschen mit all unserer Intelligenz und Technologie positiv darum kämpfen, neue Antibiotika zu entwickeln. Wir sind so verblüfft, dass wir seit Jahrzehnten keine neuen Typen mehr entdeckt haben. Aber einfache Tiere wie Zecken und Seeanemonen können sich ihre eigenen machen und sofort das erreichen, was wir in vielen Forschungs- und Entwicklungsrunden tun müssen - alles durch horizontalen Gentransfer.
Diese Geschichten stellen HGT als eine additive Kraft dar, die sowohl Mikroben als auch Tiere mit wundersamen neuen Kräften infundiert. Es kann aber auch subtraktiv sein. Der gleiche Prozess, der Tierempfängern nützliche mikrobielle Fähigkeiten verleiht, kann die Mikroben selbst zum Verfall bringen, bis sie vollständig verschwinden und nur ihr genetisches Erbe übrig bleibt.
Die Kreatur, die dieses Phänomen am besten veranschaulicht, ist in Gewächshäusern und Feldern auf der ganzen Welt zu finden, sehr zum Leidwesen von Bauern und Gärtnern. Es ist der Mehlkäfer der Zitrusfrüchte: Ein kleines Insekt, das saftsaugend ist und aussieht wie eine Schuppenflocke oder eine mit Mehl bestäubte Waldlaus. Paul Buchner, der überaus fleißige Symbiontenforscher, besuchte den Mealybug-Clan auf seiner Reise durch die Insektenwelt. Zu keiner Überraschung fand er Bakterien in ihren Zellen. Ungewöhnlicher ist jedoch, dass er auch rundliche oder länglich schleimige Kügelchen beschrieb, in die die Symbionten dicht eingebettet sind. Diese Globuli waren jahrzehntelang im Dunkeln, bis die Wissenschaftler 2001 erfuhren, dass sie nicht nur Häuser für Bakterien waren. Sie waren selbst Bakterien.
Der Citrus Mealybug ist eine lebende Matroschka-Puppe. Es hat Bakterien, die in seinen Zellen leben, und diese Bakterien haben mehr Bakterien, die in ihnen leben. Bugs in Bugs in Bugs. Der größere heißt jetzt Tremblaya nach Ermenegildo Tremblay, einem italienischen Entomologen, der bei Buchner studierte. Die kleinere heißt Moranella nach der Blattlaus-Wranglerin Nancy Moran. ("Es ist eine Art erbärmliche Kleinigkeit, nach dir benannt zu werden", sagte sie mir mit einem Grinsen.)
John McCutcheon hat die Ursprünge dieser seltsamen Hierarchie herausgearbeitet - und es ist in seinen Wendungen fast unglaublich. Es beginnt mit Tremblaya, der ersten der beiden Bakterien, die Mehlwanzen besiedeln. Es wurde ein ständiger Wohnsitz und verlor, wie viele Insektensymbionten, Gene, die für ein freies Leben wichtig waren. In der gemütlichen Enge seines neuen Wirtes könnte es sich leisten, mit einem schlankeren Genom auszukommen. Als Moranella sich dieser wechselseitigen Symbiose anschloss, konnte es sich Tremblaya leisten, noch mehr Gene zu verlieren, in der Gewissheit, dass der Neuankömmling die Nerven verlieren würde. Hier geht es bei HGT mehr darum, bakterielle Gene aus einem Kenterschiff zu evakuieren. Es bewahrt Gene, die andernfalls durch den unvermeidlichen Zerfall der Symbiontengenome verloren gehen würden.
Beispielsweise kooperieren alle drei Partner, um Nährstoffe herzustellen. Um die Aminosäure Phenylalanin herzustellen, benötigen sie neun Enzyme. Tremblaya kann 1, 2, 5, 6, 7 und 8 bauen; Moranella kann 3, 4 und 5 machen; und der Mehlwanze allein macht den 9.. Weder die Wanze noch die beiden Bakterien können Phenylalanin selbst herstellen. Sie sind aufeinander angewiesen, um die Lücken in ihrem Repertoire zu schließen. Das erinnert mich an die Graeae der griechischen Mythologie: die drei Schwestern, die sich ein Auge und einen Zahn teilen. Alles andere wäre überflüssig: Ihre Anordnung, obwohl seltsam, ermöglicht es ihnen, zu sehen und zu kauen. So ist es auch mit dem Mealybug und seinen Symbionten. Sie endeten mit einem einzigen metabolischen Netzwerk, das auf ihre drei komplementären Genome verteilt war. In der Arithmetik der Symbiose ist eins plus eins plus eins gleich eins.
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Die Welt um uns herum ist ein riesiges Reservoir potenzieller mikrobieller Partner. Jeder Bissen könnte neue Mikroben einbringen, die einen zuvor unzerbrechlichen Teil unserer Mahlzeiten verdauen oder die Gifte in einem zuvor ungenießbaren Lebensmittel entgiften oder einen Parasiten töten, der zuvor unsere Anzahl unterdrückt hat. Jeder neue Partner könnte seinem Gastgeber helfen, ein bisschen mehr zu essen, ein bisschen weiter zu reisen und ein bisschen länger zu überleben.
Die meisten Tiere können diese Open-Source-Anpassungen nicht absichtlich nutzen. Sie müssen sich auf das Glück verlassen, die richtigen Partner zu haben. Aber wir Menschen sind nicht so eingeschränkt. Wir sind Innovatoren, Planer und Problemlöser. Und wir haben einen großen Vorteil, den allen anderen Tieren fehlt: Wir wissen, dass es Mikroben gibt! Wir haben Instrumente entwickelt, die sie sehen können.
Wir können sie gezielt anbauen. Wir verfügen über Tools, mit denen die Regeln für ihre Existenz und die Art ihrer Partnerschaft mit uns entschlüsselt werden können. Und das gibt uns die Möglichkeit, diese Partnerschaften gezielt zu manipulieren. Wir können schwankende Gemeinschaften von Mikroben durch neue ersetzen, die zu einer besseren Gesundheit führen. Wir können neue Symbiosen schaffen, die Krankheiten bekämpfen. Und wir können uralte Allianzen brechen, die unser Leben bedrohen.
Aus dem kommenden Buch I CONTAIN MULTITUDES: Die Mikroben in uns und eine großartige Sicht des Lebens von Ed Yong. Copyright © 2016 von Ed Yong. Erscheint am 9. August bei Ecco, einem Abdruck von HarperCollins Publishers. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung .
