We wrześniu 1928 r. brytyjski lekarz Frederick Griffith przeprowadził eksperyment, którego wynik raz na zawsze zmienił sposób, w jaki ludzie postrzegają rzeczywistość.
Zakażając laboratoryjne myszy dwoinką zapalenia płuc, udowodnił, że czynnikiem odpowiedzialnym za przekazywanie cech jest konkretna cząsteczka chemiczna. I chociaż na moment odkrycia struktury DNA trzeba było czekać jeszcze dwadzieścia pięć lat, rok 1928 został zapamiętany, jako symboliczna data powstania zupełnie nowej dziedziny nauki: genetyki molekularnej.
Co można zabrać martwym krewniakom?
Frederick Griffith zajmował się pracą nad szczepionką przeciw zapaleniu płuc – chorobie, która dekadę wcześniej zdziesiątkowała ludność Europy. Badał dwa szczepy bakterii: zjadliwy szczep S, którego bakterie wytwarzały polisacharydową otoczkę i były oporne na działanie układu immunologicznego gospodarza, oraz szczep R, który takiej otoczki nie posiadał. Wstrzyknięty myszom wirulentny szczep S w krótkim czasie doprowadzał do śmierci zwierzątek, podczas gdy szczep R nie czynił im żadnej krzywdy. Martwe bakterie szczepu S po wstrzyknięciu myszom również nie powodowały objawów chorobowych. Jeśli jednak martwe bakterie szczepu S zmieszano z żywymi bakteriami szczepu R, zarażone zwierzęta zdychały.
Rys. 1 Doświadczenie Griffitha, Wikimedia Commons
Kiedy w czasie warsztatów popularnonaukowych opowiadam o eksperymencie Griffitha, zawsze zadaję pytanie: Co z tego wynika? Jaki wniosek można wysnuć obserwując umierające myszki? A wniosek jest bardzo prosty, jeżeli tylko uwolnić się od schematów, które każą nam myśleć o powodowanej przez bakterie chorobie, jako o skomplikowanym zjawisku biologicznym. Niektórym dzieciom się to udaje, dorosłym – dużo rzadziej. Moi mali słuchacze tłumaczą eksperyment w następujący sposób: bakterie S posiadały coś bardzo cennego: otoczkę polisacharydową, czyli specjalną zbroję, która chroniła je przed atakami systemu immunologicznego gospodarza. Kiedy zostały zabite, zmieszane z nimi „nagie” bakterie R po prostu zabrały zbroje martwych krewniaków. W ten sposób łagodny szczep stawał się wirulentny. Bingo! Z tą drobną różnicą, że bakterie R nie zabrały bakteriom S gotowych otoczek, ale poznały sposób na ich budowanie. A sposób ten był zapisany w konkretnej cząsteczce chemicznej, którą wchłonęły.
Obserwowany przez Griffitha proces został nazwany transformacją. Dopiero 16 lat później, Oswald Avery, Colin MacLeod i Maclyn McCarthy z Instytutu Rockefellera w Nowym Jorku dowiedli, że związkiem chemicznym decydującym o cechach wszystkich żywych stworzeń na ziemi jest DNA.
Griffith argumentował słusznie, że cechy są kodowane w realnie istniejącej, materialnej cząsteczce. Pokazał również, że są one przekazywane nie tylko w pionie, czyli z pokolenia na pokolenie – od rodziców do dzieci, ale również w poziomie, pomiędzy niespokrewnionymi blisko osobnikami. Obecnie wiemy, że bakterie mogą pobierać koliste fragmenty DNA znajdujące się w podłożu i w ten sposób zyskać nowe właściwości – na przykład umiejętność budowania otoczki polisacharydowej albo oporność na antybiotyki. Wiemy również, że DNA może być przekazywane pomiędzy organizmami należącymi do zupełnie innych gatunków, a nawet królestw. Zjawisko to nazywamy horyzontalnym transferem genów.
Zabójcza pałeczka
Dwadzieścia lat temu, w Stanach Zjednoczonych, w jednym ze szpitali niewielkiego uniwersyteckiego miasteczka Urbana-Champaign doszło do szeregu groźnych zakażeń. Osłabieni po operacjach pacjenci zapadali na tajemniczą infekcję atakującą kolejne narządy wewnętrzne i w ciągu kilku tygodni prowadzącą do śmierci wyczerpanego organizmu. Szczegółowe badania wykazały, że winnym szpitalnych pogromów jest Bacteroides – beztlenowa pałeczka, która żyje wewnątrz ludzkiego jelita i stanowi część naturalnej mikroflory bakteryjnej.
W normalnych warunkach Bacteroides jest całkowicie nieszkodliwy, a wręcz potrzebny do tego, żeby ludzki przewód pokarmowy mógł prawidłowo funkcjonować. Jeśli jednak dostanie się do innych części ciała, może powodować groźne zakażenia. Dlatego pacjentom po operacjach jelita podaje się antybiotyki, mające zapobiegać infekcjom. Jednak bakterie atakujące pacjentów szpitala w Urbana-Champaign okazały się całkowicie oporne zarówno na erytromycynę, jak i tetracyklinę, czyli lekarstwa standardowo przepisywane w pooperacyjnych sytuacjach.
Rys. 2. Bacteroides.
Zjadliwy szczep Bacteroides wyizolowano, a następnie przekazano do laboratorium pobliskiego uniwersytetu, gdzie cały zespół naukowców zajął się próbą odpowiedzi na pytanie: w jaki sposób uzyskał on oporność na antybiotyki? Jakiś czas później miałam szczęście dołączyć do tego zespołu i tak właśnie zaczęła się moja fascynująca przygoda z horyzontalnym transferem genów.
Szybko okazało się, że DNA złośliwych szczepów jest dłuższe niż DNA szczepów łagodnych. Co więcej, po zmieszaniu szczepu łagodnego ze złośliwym, bakterie łagodne stawały się oporne na tetracyklinę i erytromycynę, a ich DNA powiększało się o określoną długość. Wniosek z tych obserwacji nasuwał się sam: istnieje ruchomy fragment DNA, niosący geny oporności, który potrafi przemieszczać się z jednej komórki bakteryjnej do drugiej. Owym ruchomym elementem okazał się być transpozon koniugacyjny, nazwany później CTnDOT.
Rys. 3 Transfer CTnDOT w komórkach Bacteroides (J. Bacteriol. 2000 July; 182(14)).
Transpozony nie są jedynymi elementami genetycznymi obdarzonymi zdolnością ruchu w poziomie. Podobne właściwości mają również dużo mniejsze sekwencje inercyjne, koliście zamknięte fragmenty DNA zwane plazmidami, czy w końcu znane wszystkim wirusy. Co więcej, możliwość przenoszenia genów nie dotyczy jedynie świata bakterii, ale również organizmów o wiele bardziej skomplikowanych, takich jak zwierzęta czy rośliny.
Nie każdy może zostać Spider-Manem
Koncept przenoszenia genów z gatunku do gatunku szybko wykorzystali twórcy komiksów i filmów science-fiction, czego najlepszym przykładem jest „Spider-Man”. Peter Parker zostaje ukąszony przez pająka. Wraz z jadem do ludzkiej krwi dostaje się obce DNA. Parker uzyskuje niezwykłe zdolności, chodzi po gładkich, pionowych powierzchniach, potrafi jednym skokiem przemierzyć kilkadziesiąt metrów, produkuje pajęczynę. Staje się pół-człowiekiem, pół-pająkiem. W rzeczywistości cały proces horyzontalnego transferu jest dużo mniej spektakularny, dotyczy pojedynczych genów, a wizja macek czy skrzydeł, które wyrastają na plecach zmutowanym ludziom, jest oczywiście całkowicie nierealna.
Przede wszystkim, horyzontalny transfer zdarza się niezwykle rzadko wśród organizmów wyższych. Nie oznacza to, że geny się nie przemieszczają, ale istnieją liczne naturalne mechanizmy niszczące lub blokujące ujawnianie się obcego DNA. W rozwoju tak skomplikowanych organizmów, jak są rośliny i zwierzęta, oprócz informacji przenoszonej w sekwencji DNA ważne są również dodatkowe czynniki. Jednym z nich jest metylacja, czyli specjalny kod chemiczny, który informuje gospodarza, skąd pochodzi dany fragment. Jeśli komórka rozpozna DNA jako obce, natychmiast ulega ono zniszczeniu.
Znanych jest tylko kilka wypadków, w których geny przeszły między wysoko zorganizowanymi gatunkami, a efekt tego przejścia był później widoczny. Podczas badań prowadzonych nad czerwonym i zielonym ubarwieniem mszyc naukowcy odkryli, że każdy z tych kolorów jest warunkowany obecnością genu, który najprawdopodobniej trafił do mszyc z grzybów. Zdarzenie to miało miejsce jakieś 80 do 30 milionów lat temu (Science 30 April 2010; 328(5978)). Inny przykład to przeniesienie DNA z komórek bakterii rodzaju Agrobacterium do komórki roślinnej. Jak dotąd nie ma jednak żadnych dowodów na to, żeby w DNA człowieka mogły znajdować się przekazane za pomocą transferu horyzontalnego i utrwalone fragmenty DNA pochodzące od innych gatunków.
Ludzie dawno nauczyli się wykorzystywać horyzontalny transfer do własnych celów. Stosuje się go do klonowania, czyli wprowadzania obcych genów do komórek określonego organizmu. Proces ten nazywamy inaczej projektowaniem organizmów transgenicznych. Jak wszystkie nowe technologie, również i ta budzi poważne obawy – i jest to reakcja całkowicie naturalna. Boimy się tego, co nieznane. Nie dalej niż dwadzieścia lat temu ludzi niepokoił pomysł powstania sztucznej inteligencji. W kinach pojawiły się wtedy filmy typu Terminator, ukazujące przyszłość, którą władają zbuntowane, okrutne maszyny. Obecnie przeraża nas wizja niekontrolowanych eksperymentów biologicznych. W nakręconym rok temu Prometeuszu śmiertelnie groźny Obcy okazuje się wynikiem manipulacji genetycznych.
GMO i szczepionki
Mało, kto jednak zdaje sobie sprawę, że naukowcy od dziesiątków lat projektują transgeniczne organizmy, niemające absolutnie nic wspólnego ze Spider-Manem czy Obcym. Wiele z nich każdego dnia ratuje tysiące istnień ludzkich. Najlepszym przykładem są bakterie, posiadające konkretne ludzkie geny i tym samym zdolne do wydzielania bezcennych w medycynie białek. Jednym z produktów takich transgenicznych organizmów jest podawana cukrzykom insulina, hormon wzrostu, jak również czynnik krzepliwości krwi stosowany przez osoby cierpiące na hemofilię. Natomiast zmienione genetycznie drożdże produkują szczepionkę przeciwko żółtaczce typu B. Oprócz szczepionek, insuliny i leków wspomagających krzepliwość krwi, w ten sam sposób wytwarzane są czynniki przeciwwirusowe, odpornościowe, a nawet przeciwnowotworowe. Technologia klonowania przydaje się również w diagnostyce licznych chorób genetycznych.
Bakteria Agrobacterium tumefaciens jest używana w biotechnologii do otrzymywania roślin transgenicznych na zasadzie przekazywania DNA przez komórkę bakteryjną do komórki roślinnej. W ten sposób powstał transgeniczny ryż, pszenica i kukurydza, które rodzą nadzieje na rozwiązanie wielu problemów dręczących kraje trzeciego świata.
Jako były genetyk sceptycznie podchodzę do emocjonalnej dyskusji toczącej się wokół tematu organizmów transgenicznych. Zjawisko transferu zachodzi w sposób naturalny, dotyczy jednak głównie świata bakterii. Mało prawdopodobną wydaje się wizja przemieszczania genów z pomidorów GMO, do komórek owadów lub ludzi, czy też zwiększonego niebezpieczeństwa powstawania nowotworów u osób odżywiających się modyfikowaną żywnością.
Byłoby jednak nieprawdą, gdybym próbowała twierdzić, że konstruowanie organizmów transgenicznych nie wiąże się z ryzykiem. Co prawda koncepcja mieszania się genotypów odlegle spokrewnionych gatunków jest mało przekonująca, ale geny modyfikowanego ryżu lub pszenicy mogą przedostać się do innych roślin. Jeśli dojdzie do niekontrolowanego rozprzestrzeniania w przyrodzie sklonowanej cechy oporności na pestycydy, to czeka nas w przyszłości inwazja chwastów całkowicie nieczułych na działanie środków chemicznych.
Problemem może być również nadużywanie przez rolników pestycydów na polach GMO. W takim wypadku wysypanie olbrzymiej ilości środka chwastobójczego usunie wszystkie rośliny poza uprawianą, chemikalia pozostaną jednak na kłosach czy kolbach kukurydzianych, które później trafią na nasze stoły. Bezpieczeństwo zależy, więc w dużej mierze od zwykłej ludzkiej przezorności i odpowiedzialności, a jak uczy historia, nie są to najmocniejsze cechy naszego gatunku.
Oczywiście nikt nie może gwarantować, że negatywne efekty wprowadzania do przyrody organizmów transgenicznych nie pojawią się za sto, czy dwieście lat. Należy jednak pamiętać, że podobny problem dotyczy wszystkich nowych technologii. Dlatego powinno się zabezpieczać ich użytkowanie odpowiednimi przepisami, czujnie monitorować i nie podejmować pochopnych decyzji, zachowując przy tym poczucie zdrowego rozsądku.
