Pośledni zjadacze trucizn i niedoskonałości ewolucji

Poczynając od lat 1970. jednak naukowcy odkryli pewne mikroby, które zaczęły odżywiać się pentachlorofenolem. Zjadające zanieczyszczenia mikroby są popularne w kręgach mikrobiologii, ponieważ czasami można je rozlokować, by oczyściły nasze brudy. Wielu naukowców poświęciło więc ostatnie lata na badanie zjadaczy pentachlorofenolu. Na przykład, w zeszłym roku [2012] badacze opublikowali genom jednego takiego gatunku, Sphingobium chlorophenolicum, który odkryto w przesyconej pentachlorofenolem ziemi w Minnesocie w 1985 r.

Kiedy dowiadujesz się po raz pierwszy, jak Sphingobium zjada pentachlorofenol, wywołuje to taki sam podziw jak oczy lub dęby. Używa serii enzymów, by wybrać atomy chloru jeden po drugim, jak goryl usuwa włókna z pokrzyw. Niemniej, przy całej złożoności biochemii  Sphingobium, wykonuje dość marną robotę odżywiając się pentachlorofenolem.

Shelley Copley z University of Colorado i jej koledzy przetestowali indywidualne enzymy używane przez tę bakterię. Działają one dużo wolniej niż typowe enzymy biorące udział w rozkładzie toksyn. Kiedy chwytają cząsteczkę, często ją upuszczają. Czasami chwytają wtedy w zamian całkowicie inną cząsteczkę. Chociaż Sphingobium mogą jeść pentachlorofenol, jednak nie są całkowicie odporne na niebezpieczeństwo. Wystawione na wysokie poziomy tego pestycydu umierają.

Spojrzenie na geny, które kodują enzymy, ujawnia, dlaczego są takie marne: jest to dla nich ciągle nowe zadanie. Choć działają razem, jak robotnicy przy taśmie produkcyjnej, mają różne pochodzenie. Copley i jej kolegom udało się zdobyć kilka wskazówek co do ich pochodzenia przez porównanie Sphingobium chlorophenolicum z blisko spokrewnionymi gatunkami, które nie potrafią rozkładać pentachlorofenolu. Podsumowali swoje obecne rozumienie ewolucji zjadania pentachlorofenolu w diagramie, który przedrukowuję poniżej. Cząsteczki pokazują rozkład pentachlorofenolu. Enzymy mikrobów zaznaczone są na czerwono w każdej strzałce reakcji. (Spont. znaczy, że reakcja zdarza się samodzielnie – spontanicznie.)

Najstarsza część tego szlaku zaznaczona jest na zielono. Spokrewnione bakterie mają PcpA i PcpE, i używają tych enzymów do rozkładania cząsteczek, które są podobne do  pentachlorofenolu na tym stadium reakcji. Ale geny dla kroków zaznaczonych na niebiesko i żółto nie były obecne u wspólnego przodka. Zamiast tego Sphingobium chlorophenolicum nabyło je po oddzieleniu się od swoich krewnych.  

Horyzontalny transfer genów, jak nazywa się ten proces, jest częsty w świecie mikrobów. Mikroby siorbią DNA martwych sąsiadów, wirusy transportują geny do nowych gospodarzy, a czasami mikroby nawet budują rurki, żeby wstrzyknąć swoje geny do innych mikrobów. Naukowcy dowiedzieli się o horyzontalnym transferze genów, kiedy bakterie zaczęły wymieniać się genami na oporność na antybiotyki, powodując, że te cudowne leki stały się mniej cudowne. Ale te przypadki były stosunkowo proste: jeden gen potrafił samodzielnie dać bakterii lepszą ochronę przeciwko antybiotykom.

To, co dzieje się w Sphingobium jest bardziej skomplikowane. Dwa zestawy genów przeniosły się do bakterii, gdzie związały się ze sobą jak też z zestawem genów, które już tam były. Razem zabrały się za zupełnie nowe zadanie, którego żaden z nich nie mógł wykonywać wcześniej: rozkładanie pentachlorofenolu.

Naukowcy nie wiedzą jeszcze, skąd przyszły te nowe odcinki szlaku pentachlorofenolowego, ani co właściwie robiły w starszych mikrobach. PcpC, enzym z żółtej sekcji, jest blisko spokrewniony z enzymami, które rozkładają białka. Istotnie, PcpC nadal potrafi rozkładać białka, choć nie tak dobrze jak bardziej wyspecjalizowane enzymy. Rozkładanie białek mogło być jego poprzednią pracą, a dopiero potem wyłoniła się jego zdolność pomocy przy rozkładaniu cząsteczek z chlorem.

Geny tego szlaku ewoluowały przez ostatnich kilkadziesiąt lat. Dobór naturalny faworyzuje mikroby, które potrafią rosnąć szybciej na pentachlorofenolu niż ich konkurenci. Ale ten konkurs jeszcze nie dał złotych medalistów. Enzymy nadal nie są zbyt dobrze przystosowane do rozkładania toksycznych cząsteczek.

Popatrzmy na pierwszy krok tego szlaku, gdzie PcpB chwyta pierwszy atom chloru. Zazwyczaj enzymy powodują, że cząsteczki są mniej toksyczne niż przedtem. Ale PcpB robi coś odwrotnego. Zamienia pentachlorofenol w naprawdę paskudny tetrachlorobenzochinon, z który NIE chcesz mieć do czynienia.

Są jeszcze inne wypadki, kiedy enzymy powodują, że cząsteczki są bardziej toksyczne zamiast mniej. Ale w tych wypadkach – w których ewolucja miała więcej czasu – enzymy przystosowały się do chronienia komórki przed swoim toksycznym wytworem. Cząsteczka nigdy nie ma szans na odpłynięcie i spowodowanie szkód, ponieważ enzym wiąże ją do następnego enzymu, ostrożnie przekazując więźnia.

Sphingobium nie potrafi tego zrobić. Najlepsze, co potrafi, to spowodowanie, że PcpB trzyma cząsteczkę, aż następny enzym, PcpD, przypadkiem na niego wpadnie. Ta strategia nie pozwala paskudnemu tetrachlorobenzochinonowi na ucieczkę i zabicie mikroba. Niezmiernie spowalnia to jednak cały proces rozkładania cząsteczki.

Czy ta poślednia Sphingobium wyewoluuje dalej? Skoro zabrało mikrobowi niewiele dziesięcioleci, by dojść tak daleko, może będziemy świadkami następnego kroku jeszcze za naszego życia.  

Mediocre poison eaters and the imperfection of evolution

The Loom, 17 maja 2013

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska