Oporność bakterii na mutacje DNA – Andrzej Myc

Przez wiele lat przypadkowe (bardziej naukowo – spontaniczne) mutacje materiału genetycznego były powszechnie uznawane za skutek ewolucji, która z definicji też musiała być przypadkowa. W obecnych rozważaniach postaram się wyjaśnić koncepcję „mutacji” i dlaczego została przyjęta za mocny argument ewolucji.

Wróćmy do czasów, kiedy Karol Darwin wyłożył zasady ewolucjonizmu. Były one logiczne i zostały przyjęte przez społeczeństwo jako powszechny pogląd zmian i rozprzestrzeniania się różnorodności w żywej naturze. Kiedy teraz, z perspektywy nauki biologicznej, przypatrzymy się argumentacji, to dostrzeżemy, że były one naiwne.

- Autopromocja - KLIKNIJ NA GRAFIKĘ-

Odkrycie DNA i samoreplikacja cząsteczki była epokowym wydarzeniem i nic dziwnego, że Watson i Crick otrzymali za swoje naukowe osiągnięcia Nagrodę Nobla. DNA jako materiał dziedziczny każdego żywego organizmu stał się tak przełomowy, że obejmował nie tylko każdy dział biologii, ale również stał się siłą napędową ewolucji. Bardziej wnikliwe badania nad cząsteczką DNA pokazały, że nie jest ona cząsteczką „nieomylną”, która determinuje wszystkie cechy organizmów. Okazało się, że DNA może się mylić i w czasie syntezy może powstać DNA nieco inne, a to spowoduje zmiennoś

populacji jednego pokolenia na następne czyli dokładnie to, co głosił ponad sto lat temu Darwin. Twierdzono, że zmienność DNA determinuje zmienność organizmu. A ta zmienność powstaje w sposób przypadkowy i została nazwana mutacją (od łacińskiego słowa – zmiana).

Zanim napiszę więcej na temat mutacji, chcę poinformować Czytelnika, w jaki sposób kształtowała się nasza wiedza o zmianach – z dnia na dzień coraz bardziej popularna. Między naszą wiedzą, jak cząsteczką DNA determinuje cechy gatunku, a tym jak przebiega molekularna maszyneria prowadząca do powstania białek jest ogromna przepaś

. Dokładne poznanie takiej biologii molekularnej zajęło sporo czasu i stało się jeszcze większą sensacją niż na samym początku w biologii molekularnej. Odkryto, że sekwencja DNA, która składa się z mniejszych elementów (nukleotydów) przyczepionych do siebie w łańcuchu, niczym koraliki w naszyjniku, nie było przypadkowe. Dokładniejsze badania pokazały, że kolejność tych „koralików” pozwoliła na zrozumienie, co właściwie to oznacza i tak została powszechnie zaakceptowana hipoteza uniwersalnego kodu genetycznego białek.

Rozwój biologii molekularnej z każdym rokiem był coraz lepiej poznawany: które nukleotydy w DNA kodują jakie aminokwasy w białku. Choć laikowi wydaje się to czarodziejską sztuczką, to dzięki badaniom biochemicznym wykazano, że w oparciu o trzy z czterech nukleotydów w DNA, takich jak adenina (A), tymina (T) cytozyna (C) i guanina (G) – determinują określony aminokwas w białku. Na przykład: ATG koduje aminokwas metioninę. Jeżeli teraz przez „pomyłkę” sekwencja nukleotydów ATG zostanie zmieniona na AAG, to już nie będzie kodowana metionina tylko inny aminokwas – lizyna. To uświadamia nam, że jakakolwiek zmiana w sekwencji nukleotydów może powodować zmiany sekwencji aminokwasów, a to konsekwentnie doprowadzi do zmiany funkcjonalnej białka. Białko albo w dalszym ciągu będzie aktywnym enzymem (byłaby to mutacja neutralna), albo nastąpi brak aktywności białka, co w konsekwencji może grozić poważnym kalectwem lub śmiercią organizmu. Wiele chorób genetycznych człowieka zostało dokładnie poznanych. Przykładem może być choroba nazwana fenyloketonuria, brak enzymu hydroksylazy fenyloalaninowej, która jest niezbędna w metabolizmie fenyloalaniny.

Badania te pozwoliły z jednej strony na poznanie dokładnej roli DNA, ale też z drugiej dokumentowały, że przypadkowe mutacje w DNA, mogą być siłą napędową ewolucji. W pewnym okresie zachwyt mutacjami zagłuszał odpowiedź na trzeźwe pytanie – które to przypadkowe mutacje mogą, zmienić organizmy z jednej grupy taksonomicznej w inną? Na przykład część ryb „przekształcić” w płazy.

Aby zrozumieć cały proces przypadkowych mutacji, spójrzmy uważnie jeszcze raz na mutacje. Mutacje mogą być spontaniczne, czyli samoistne (zachodzą bez znanych przyczyn w organizmie i w naturze środowiska) i występują z niską częstotliwością, tzw. mutacje przypadkowe oraz indukowane (mutageneza, która w większym lub mniejszym stopniu niszczy kod DNA). Czynnikami fizycznymi, które inicjują mutacje indukowane w DNA, to ultrafiolet i promienie rentgena. Czynnikami chemicznymi są gaz musztardowy, azydek sodu oraz inne czynniki modyfikujące DNA. Wszystkie te mutageny mają silne działanie kancerogenne i należy ich unikać.

Mutacje dzielimy na cztery rodzaje: substytucje (zastąpienie jednego nukleotydu przez drugi), insercje (włączenie jednego nukleotydu między dwa pozostałe nukleotydy w łańcuchu cząsteczki), delecje (usunięcie jednego lub kilku nukleotydów z cząsteczki) i inwersje (odwrócenie jednego fragmentu cząsteczki na inną, tak jak słowo „pies” na „seip”) Każda z tych zmian zaburza sens kodu genetycznego, podobnie jak w wyrazach. Każde słowo w języku polskim, po literówce nabiera zupełnie innego znaczenia (stać na srać). Poszczególne rodzaje mutacji są przedstawione w tabeli 1. W zależności od tego, w którym miejscu DNA mutacje wystąpią, mogą doprowadzić do zaburzeń odczytu oryginalnego białka, a to spowoduje do powstania nieaktywnego lub inaczej funkcjonującego białka.

W ciągu wielu lat eksperymentów w biologii molekularnej stało się jasne, że DNA nie funkcjonuje w komórce samodzielnie, ale jej działanie jest ściśle powiązane z procesem całej komórki. Aby to lepiej zrozumieć, przedstawię fragmenty książki Jamesa A. Shapiro zatytułowanej Evolution: A View from the 21st Century [Ewolucja. Koncepcja XXI wieku]. Mam nadzieję, że wkrótce ta książka dzięki Fundacji En Arche (https://enarche.pl/ksiegarnia/) zostanie przetłumaczona na język polski. Bardzo gorąco zachęcam Państwa do jej przeczytania. Pomoże to na lepsze zrozumienie zagadnienia, jaki wpływ ma komórka bakteryjna na mutację i jak często występuje.

Skrupulatne badania interakcji między komórką bakteryjną a DNA pokazały cały arsenał współpracy między replikacją DNA w komórce. Polimeraza DNA (białko bakterii) jest pierwszym enzymem odpowiedzialnym za przyłączanie nukleotydów do nowej nici DNA. Enzym jest funkcjonalnie do tego stopnia przysposobiony, że „przegapi” tylko jeden błędnie przyczepiony nukleotyd na każde 100 tysięcy nukleotydów przyłączonych do nici DNA.

W dalszym procesie naprawy błędów nadzorują jeszcze trzy enzymy, które „wyłapują” niewłaściwie wpasowany nukleotyd. Najpierw do źle podstawionego neukeotydu przyłącza się MutS. Potem ten kompleks (dwóch enzymów i błędnego nuklotydu) rozpoznaje enzym MutL, to feralne miejsce w cząsteczce. Do tego kompleksu trzech białek (polimeraza, MutS i MutL) przyłącza się jeszcze kolejne białko MutH, które teraz niezależnie, niczym kierowniczy decydent, „porównuje” replikowaną nić z nicią matrycową DNA, usuwa błędny nukleotyd i wstawia właściwy. Mechanizm replikacyjny bakterii E. coli kopiuje DNA nie tylko z zawrotną precyzją – jeden błąd na miliard (10⁹) podstawień, ale też z niewyobrażalną prędkością – 1000 nowo wbudowanych nukleotydów do nici replikacyjnej w ciągu sekundy!

Bakterie wykorzystują daleko lepiej biologiczne technologie niż ludzkie, nawet najbardziej postępowe wynalazki. Jeżeli mechanizmy replikacji DNA wykorzystywane przez bakterie są na tak wysokim poziomie zaawansowania, to można sobie wyobrazić, że komórki organizmów wyższych (ludzkie komórki eukariotyczne) są na jeszcze wyższym poziomie i przez to bardziej oporne na mutacje.

Pomimo tego – jak zwraca uwagę James Shapiro – wielu ewolucjonistów upiera się, że przypadkowe mutacje są siłą napędową ewolucji. Chcąc wykazać wiarygodność swoich założeń, wywołują sztucznie indukowane przypadkowe mutacje w DNA. Ujmując rzecz obrazowo: walimy młotkiem w genom komórki i obserwujemy, jaki to będzie miało efekt na proces dziedziczenia i ewolucji.

Nie wszyscy naukowcy są aż tak bardzo zafascynowanie sztucznymi mutacjmi, żeby je wywoływać indukowaną mutagenezą, raczej badają spontaniczne mutacje DNA w komórkch. Doktor Richard Lenski, naukowiec z Uniwersytetu Michigan State, w 1988 roku rozpoczął badania, aby sprawdzić, czy spontaniczne mutacje DNA mogą przyczynić się do ewolucyjnie utrwalonych zmian bakterii. Bakterie w sprzyjających warunkach życiowych dzielą się z prędkością co 15–20 minut, a więc model doświadczalny jest bardzo praktyczny.

W ten sposób badano nieprzerwanie bakterie od 2013 roku. I tak po 25 latach eksperymentu, autorzy opisali wyniki badań. Z namnożonej liczby bakterii sięgającej wtedy kilka trylionów (10¹⁸) otrzymano 58 tysięcy różnych generacji komórek. W większości to były mutacje przypadkowe, które powstały w wyniku uszkodzenia, degradacji czy poprawy metabolizmu bakterii komórki, nie pozwoliło to jednak na obserwację procesu ewolucji rozumianej jako dobór naturalny.

Trudno jest szukać jakiejś analogii między bakteriami a człowiekiem. Taki okres, w jakim badano generacje bakterii (ok. 15 minut), przełożyłby się prawie na 2 miliony lat życia człowieka, bo generacja u ludzi trwa średnio 25 lat. Jakie zmiany ewolucyjne mogłyby w tym okresie czasu zaistnieć u człowieka? O to warto zapytać antropologów.

Na zakończenie, w 1670 roku Van Leeuwenhoek po raz pierwszy zaobserwował mikroby pod mikroskopem i został nazwany ojcem mikrobiologii. Od tamtego czasu upłynęło ponad 350 lat, a jednak przez ponad trzy wieki nie zaobserwowano zmian gatunkowych u bakterii. Różnice gatunkowe między Staphylococcus aureus a Streptococcus pneumoniae są tak charakterystyczne, że przeciętny mikrobiolog z łatwością je zaobserwuje.

Debaty nad mutacją w procesie ewolucji wydają się nie mieć końca, bo ciągle mamy bardzo skąpą wiedzę, aby można było z całą pewnością o tym powiedzieć. Potrzebny jest nowy model ulepszonego mechanizmu ewolucji, który będzie się opierał na rzetelnych odkryciach biologii, a nie wyłącznie na naszych światopoglądowych „chciejstwach”.

Fairhope, AL; 30.11.2021

Od autora

W tym miniwykładzie celowo usunąłem odnośniki dokładniej definiujące używane pojęcia, aby tekst był bardziej czytelny. Jeśli Czytelnika zainteresuje lepsze zrozumienie mechanizmu przypadkowych mutacji w żywych organizmach, to znajdzie odnośniki na stronie prowadzonej przez Fundację En Arche „W Poszukiwaniu Projektu” (https://wp-projektu.pl/) lub w innych równie wiarygodnych źródłach internetowych. Gorąco polecam.

Tabela 1. Rodzaje mutacji występujących w DNA