A genomy ciągle kurczą się…
Oto kilka liczb o DNA – kilka dużych, a potem kilka bardzo małych.
Ludzki genom zawiera około 3,2 miliarda par zasad. W zeszłym roku [2012], naukowcy z University of Leceister wydrukowali tę sekwencję w 130 olbrzymich tomach wielkości książki jako eksponat muzealny. Zabrałoby niemal do końca stulecia przeczytanie ich od początku do końca.
Jak pisałem w “New York Times”, 3,2 miliardy par zasad i 21 tysięcy genów nie są zasadniczym wymogiem pozostawania przy życiu. E. coli daje sobie doskonale radę z genomem zawierającym około 4,6 miliona par zasad. Zależnie od szczepu, ten mikrob ma około 4100 kodujących białko genów. To jest około jednej piątej takich genów u nas. Wysoka proporcja genów wobec wielkości genomu u E. coli jest rezultatem prostej, skutecznej genetyki. Mutacje, które wycinają niefunkcjonalny DNA, szerzą się wśród mikrobów znacznie szybciej niż wśród zwierząt.
E. coli, z kolei, jest – genetycznie mówiąc – gigantyczna w porównaniu do niektórych innych gatunków. Naukowcy badający świat mikrobów znajdują gatunki z mniejszymi genomami. W artykule w “New York Times” pisałem o rekordowo małym genomie mikroba o nazwie Tremblaya. Jego genom ma zaledwie 139 tysięcy par zasad. To jest 0,004% wielkości naszego genomu. Można wydrukować całą sekwencję w jednej szczupłej książce z miękką okładką, która zmieści się do kieszeni. I ten foremny genom ma tylko 120 kodujących białka genów – 6% naszej kolekcji.
Za każdym razem, kiedy informuję o takich rekordach, próbuję podkreślić, że są to tylko chwilowe rekordy. Tremblaya ma najmniejszy znany genom. Lub, może powinienem teraz dodać, miał najmniejszy genom znany w zeszłym miesiącu.
W tym miesiącu, w piśmie “Genome Biology and Evolution”, Gordon Bennett i Nancy Moran opisali nowego rekordzistę o nazwie Nasuia deltocephalinicola. Ma genom składający się z zaledwie 112 tysięcy par zasad. Wyobraźcie sobie, że bierzecie tę cienką książkę i wyrywacie ostatni rozdział. Jak na ironię, Nasuia upakowuje więcej genów w swój DNA niż Tremblaya –137 kodujących biała genów, według oceny Bennetta i Moran.
Naprawdę uderzające w tych wszystkich obecnych i byłych rekordzistach małych genomów jest to, że wszystkie żyją w jednej, egzotycznej niszy ekologicznej. Bez wyjątku wszystkie można znaleźć wewnątrz odżywiających się roślinami owadów. Tremblaya żyje w czerwcach, podczas gdy Nasuia żyje w skoczkowatych (Macrosteles quadrilineatus).
Wewnątrz swoich gospodarzy te mikroby dokonują reakcji chemicznych z pokarmem konsumowanym przez owady. Owady odżywiają się sokiem roślinnym, który zawiera niewiele składników odżywczych. Bakterie jednak potrafią użyć składników pływających w soku, by budować aminokwasy, które owady mogą następnie zestawiać w białka.
Skoczkowate, cykady, skoczki Proconiini i inne spokrewnione odmiany mają spokrewnione wersje tej samej, prostej bakterii. Przez narysowanie ich drzew ewolucyjnych Bennett i Moran odkryli, że owady weszły w stosunki symbiotyczne z mikrobami ponad 260 milionów lat temu. Poniżej pokazuję ich drzewo dla tych, którzy chcą wszystkich drastycznych szczegółów. Niebieskie linie pokazują Nasuia i spokrewnione linie rodowe mikrobów. Owady mają także inny rodzaj bakterii, znany jako Sulcia. Razem te dwa mikroby dzielą się pracą od milionów lat. (U niektórych owadów do zespołu dołączyły grzyby.)
Przodkowie Nasuia zaczęli jako wolno żyjące mikroby, które miały genomy dorównujące E. coli. Kiedy jednak dostały się do środka gospodarza, mogły tracić DNA bez płacenia za to. Owady dawały im stabilny dom, budując specjalne narządy do ich przechowywania, a nawet przekazywały bakterie swojemu potomstwu. Bakterie odrzuciły wiele genów, które w innych warunkach są niezbędne, jak na przykład szereg genów biorących udział w tworzeniu energii. Musiały tylko dostarczać usług przez syntetyzowanie aminokwasów.
Nasuia posiada obecnie rekord, ale przypuszczalnie nie na długo. Jest jeszcze wiele innych gatunków owadów do zbadania. Moran poprosiła Johna McCutcheona z University of Montana, by wykonał kilka wyliczeń dla zrozumienia, jak bardzo mogą zmniejszyć się genomy symbiontów. Wszystkie znane symbionty owadów mają 82 wspólne geny. Jest możliwe, że te geny są absolutnie niezbędne do przeżycia jako symbiont. Symbiont jednak musi także dostarczać korzyści gospodarzowi, bo inaczej gospodarz pozbędzie się go. Potrzeba co najmniej 11 genów do syntetyzowania jednego aminokwasu. Te 93 geny, oceniają McCutcheon i Moran, zmieściłyby się w genomie nie większym niż 70 tysięcy par.
To zabawne, że te bakterie pozwalają nam sondować jedno z najgłębszych pytań o życie: jak proste może stać się życie i nadal być życiem? Choć ludzie, którzy zarabiają na wyśmiewaniu nauki mogą uważać takie badania za stratę czasu, badanie tych odartych niemal ze wszystkiego organizmów jest także tak praktyczne, jak tylko może być nauka. Na przykład, skoczkowate, które goszczą Nasuia, są koszmarem dla farmerów, powodując szkody wielu warzywom przez szerzenie grzybów i bakterii. Niemniej byłyby bezradne bez swoich nadzwyczaj prostych lokatorów. Jeśli możemy zrozumieć, w jaki sposób przeżywają z tak maleńkimi genomami, możemy być w stanie powstrzymać je przed umożliwianiem życia swoim gospodarzom.
Carl Zimmer
Wielokrotnie nagradzany amerykański dziennikarz naukowy publikujący często na łamach „New York Times” „National Geographic” i innych pism. Autor 13 książek, w tym „Parasite Rex” oraz „The Tanglend Bank: An introduction to Evolution”. Prowadzi blog The Loom publikowany przy „National Geographic”.