Twoja wyszukiwarka

MAGDALENA FIKUS
NIEWINNE ZŁEGO POCZĄTKI
Wiedza i Życie nr 12/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 12/1997

ESCHERICHIA COLI - NAJPIERW MALEŃKI REZYDENT NASZYCH JELIT, POTEM OBYWATEL LABORATORIÓW BADAWCZYCH, STAŁA SIĘ WYTRYCHEM W RĘKACH NAUKOWCÓW, POZWALAJĄCYM WŁAMAĆ SIĘ DO ZAMKNIĘTEGO DO NIEDAWNA ŚWIATA GENÓW.

Od paru miesięcy w telewizji, radiu, gazetach zaroiło się od trans-
genicznej kukurydzy i soi, ziemniaków i tytoniu, od klonowanych owiec i małp, genetycznie znokautowanych myszy, transgenicznych ludzi in spe (jeszcze nikt ich nie stworzył, ale dlaczegóżby nie napisać?). Rozdzwoniły się telefony do redakcji, zaniepokojeni naruszeniem znanych reguł i dogmatów genetycznych słuchacze, czytelnicy i widzowie wystosowali listy do gazet i miesięczników.

Sprawcami tego zamieszania i głównymi oskarżonymi o nadciągającą katastrofę są genetycy, ludzie, którzy w zaciszach laboratoriów stwarzają te rośliny i zwierzęta. I mnie przyszło do nich należeć. A pomyśleć, jak niewinnie to się zaczynało.

Koledzy! Wróćmy do Escherichia coli. Odkrywaliśmy świat tej mikroskopijnej istoty, nazywano nas uczonymi, nie musieliśmy nikomu, poza szefem, tłumaczyć, co robimy, po co to robimy i komu nasze doświadczenia mogą zagrozić. Tak dobrze nam szło i komu to przeszkadzało?

Bakterie to przykład wielkiego sukcesu w dziejach życia. Zajmują bardziej zróżnicowane środowiska i prezentują większy wachlarz metabolicznego zróżnicowania niż jakakolwiek inna grupa. Przystosowują się plastycznie, są niezniszczalne i zadziwiająco różnorodne. Nie sposób sobie wyobrazić, jak człowiek mógłby zagrozić ich istnieniu, chociaż martwimy się naszym destruktywnym wpływem na niemal wszystkie pozostałe formy życia (J. Gould, Ewolucja życia na Ziemi, "Świat Nauki" nr 12/1994).

Sukces tej grupy trwa już 3.5 mld lat. E. coli należy do rodziny Enterobacteriaceae, w której wyróżniono 157 gatunków. Ma kształt pałeczki, tak zresztą nazywa się po polsku: pałeczka okrężnicy. Ten drugi człon w nazwie ujawnia naturalne, trochę wstydliwe miejsce, gdzie żyją te bakterie: jelita człowieka i zwierząt. Stanowią tam normalną florę, jej nieznaczny ułamek, bo zaledwie 1% z ogólnej liczby innych mikroorganizmów. E. coli są nam na ogół przyjazne, bardzo rzadko spotyka się szczep powodujący biegunki, czasem słyszymy o zakażeniu dróg moczowych, płuc, a nawet układu nerwowego.

Niczym szczególnym jako bakterie się nie wyróżniły. Ich sława i popularność wśród mikrobiologów, a potem wyznawców nauk molekularnych, wyrosły z przypadku historycznego, dogodnego połączenia korzystnych w badaniach naukowych cech, a potem z narastania wiedzy o tym, nieelegancko mówiąc, obiekcie.

Escherichia coli

Fot. EAST NEWS

Wybrano je na początku, bo były łatwo dostępne, nie nastręczały kłopotów w hodowli i, jak to już wiemy, raczej niezakaźne dla badaczy. W każdym razie szczepy, z którymi się pracuje w laboratoriach, nie są patogenne dla ludzi, co więcej, w ogóle nie kolonizują organizmu człowieka. Dość wcześnie poznano atakujące je wirusy, a znajomość wrogów znacznie ułatwia badania samego organizmu. Badania genetyczne, zdobywanie wiedzy o przekazywanych cechach ułatwiał fakt, że wiek jednego pokolenia tych bakterii liczy się jedynie w paru dziesiątkach minut. Analizę biochemiczną upraszczała możliwość uzyskania enzymatycznie aktywnych wyciągów z zabitych komórek. Obecne w nich cząsteczki dawały się łatwo i tanio znakować radioizotopami, co znakomicie ułatwiało śledzenie przemian. Im więcej wiedzieliśmy o E. coli, tym łatwiej było poznawać ją dalej.

W latach czterdziestych francuscy genetycy zbadali sposoby regulacji aktywności pewnego układu genów Escherichia coli i stworzyli ogólną hipotezę operonów, o której sądzi się, że obowiązuje w całym świecie mikrobów. Operonów, czyli zespołów genów o wspólnym "włączniku", szukano potem także we wszystkich organizmach: zwierzętach, roślinach. Odkrywcy operonu laktozy - A. Lwoff, F. Jacob i J. Monod - otrzymali za te badania Nagrodę Nobla. Zresztą trudno zliczyć nagrody, nie tylko Nobla, przyznane przez ostatnie pół wieku, których główną sprawczynię zobaczyć można tylko pod mikroskopem. I mimo tych szczegółowych badań nikt nie może powiedzieć, że posiadł wszystkie tajemnice Escherichia coli.

Przez chwilę może niektórym wydawało się, że zbliżymy się do takiego celu dzięki oznaczeniu sekwencji (kolejności ułożenia) nukleotydów jej DNA. Taki program stał się częścią światowego Programu Sekwencjonowania Genomów, a zadanie to, wraz z niebagatelnymi funduszami w wysokości kilku milionów dolarów, powierzono Fredowi Blattnerowi z Genome Center University w Wisconsin, Madison, USA. Zespół składał się z 6 naukowców, 5 techników i jednego specjalisty od komputerów. Oznaczyć należało kolejność ułożenia 4.7 mln nukleotydów. W 1987 roku znano 10% sekwencji genomu E. coli, w 1995 roku Blattner twierdził, że poznał go "już" w 70% (zdaniem innych, było to "tylko" 70%). W tym czasie, w prywatnym instytucie TIGR (The Institute for Genomic Research), Craig Venter kończył oznaczenia pierwszych na świecie sekwencji genomowych innych bakterii (Jak żyć z 470 genami?, "WiŻ" nr 1/1996).

Ten ważny wyścig o pierwszeństwo opisu pełnej sekwencji genomu jakiejś bakterii Blattner przegrał. Stało się tak dlatego, że był pionierem i wyposażał swoje laboratorium kilka lat wcześniej niż Venter. Już wtedy wiadomo było, że najtrudniejszym problemem sekwencjonowania genomów jest informatyczna obróbka uzyskanych danych. Blattner kupił najnowocześniejsze programy, dostępne w końcu lat osiemdziesiątych, tylko że oprogramowanie starzeje się bardzo szybko. Venter startował już z nowszymi programami, pozwalającymi uprościć strategię zabiegów laboratoryjnych i z jego zespołu, a nie Blattnera, wyszły pierwsze sekwencje genomowe dwu bakterii. W połowie br. dostępne były informacje o pełnej sekwencji nukleotydów w genomach drożdży (pierwszy poznany tak organizm eukariotyczny; Drożdże w komputerze, "WiŻ" nr 1/1997) i 11 bakterii, wiadomo, że na ukończeniu jest kilkanaście innych (ramka s. 44). Nas, wielbicieli E. coli, ucieszyła wiadomość, że i jej genom został nareszcie do końca poznany.

Mierzy on 4 639 221 par nukleotydów, jest zatem obecnie największym rozszyfrowanym do końca genomem bakteryjnym. Jak wiedzieliśmy od dawna, jest to dwuniciowa, kolista (bez wolnych końców) cząsteczka. Z sekwencji nukleotydów w jej określonych odcinkach wydedukowano, jakie białka koduje - wyróżniono 4288 takich odcinków, potencjalnych genów. Zajmują one 87.8% genomu, a średnia odległość między genami wynosi
118 nukleotydów, 11% sekwencji przypada na odcinki regulatorowe, decydujące o włączaniu i wyłączaniu genów lub o ilości wytwarzanego białka.

Wśród 4288 potencjalnych genów znajduje się 1853 już uprzednio opisanych. Rozmiar średniego genu ocenia się na 951 nukleotydów, najdłuższy znaleziony to 7149 nukleotydów, a jego funkcja nie jest znana. Wśród poznanych najliczniejszą grupę stanowią geny kodujące białka, uczestniczące w transporcie różnych substancji lub rozpoznające substancje, które powinny być przenoszone do i z bakterii.

Nieomal 60% białek E. coli, które mogą być kodowane przez zidentyfikowane geny, nie przypomina białek znalezionych w ten sam sposób w innych, zbadanych już bakteriach, 40% genów stanowi zagadkę, jeśli chodzi o pełnione funkcje.

Logo strony internetowej ( http://www.genetics.wisc.edu), od której warto zacząć poszukiwania informacji na opisany w artykule temat

Podliczono, iż w genomie E. coli znajdują się 254 operony, układy, z których jeden, jak już wspomniałam, posłużył francuskim genetykom do sformułowania ogólnej teorii regulacji aktywności genów w mikroorganizmach.

Informacja genetyczna zawarta w znacznej większości genów odczytywana jest zgodnie z kierunkiem powielania DNA, co nie wydaje się przypadkiem. Jeżeli rozważymy realną sytuację, w której na tej samej cząsteczce kolistego DNA spotykają się dwa ogromne zespoły białek - jeden, tworzący system powielania DNA (replikacja), drugi, system odczytywania informacji genetycznej (transkrypcja) i w dodatku wiemy, że replikacja jest znacznie szybsza od transkrypcji, to przychodzą na myśl dwa pociągi - ekspres i pospieszny, jadące tym samym torem. Biologom zawsze było łatwiej postulować mechanizmy kierujące wyprzedzaniem się tych pociągów niż założyć ich zderzenie czołowe.

Ciekawe, że dokładna analiza genomu pozwala także na wysunięcie przypuszczenia, iż w przeszłości bakterie te mogły przyjmować geny pochodzące od innych organizmów, i to nie tylko wirusów, które pozostawiły w genomie bakterii molekularne ślady niegdysiejszej inwazji. Być może, nawet bakteria niesie pojedyncze geny pochodzące od człowieka? W każdym razie takie przypuszczenia są uzasadnione po dokładnej analizie porównawczej. Otwiera to raz jeszcze pytanie o możliwości tzw. poziomego przenoszenia genów między współżyjącymi gatunkami; problem bardzo ważny dla biotechnologów konstruujących transgeniczne wyższe organizmy.

Najważniejszy wniosek z uzyskanych danych: ogólne zasady budowy i funkcjonowania genomu E. coli nie odbiegają od już uprzednio poznanych w innych bakteriach, mimo iż grupa ta składa się z odległych ewolucyjnie gatunków.

Zbiorcze dane o genomach bakterii pozwalają stwierdzić, że rozmiar genów bakteryjnych jest dość stały: od najmniejszego genomu Mycoplasma genitalium (580 tys. nukleotydów) do stosunkowo dużego E. coli, średnio na gen składa się ok. 1000 nukleotydów, a sekwencje genowe zajmują prawie 85% genomu. Inaczej mówiąc, gęstość upakowania genów w genomach bakteryjnych jest duża (geny wirusów często "zachodzą na siebie" i wykorzystanie genomu do zapisu genów jest "ponad" stuprocentowe, podczas gdy w genomie człowieka geny zajmują najwyżej 5% genomu). "Oszczędność" informacyjna w malutkich i małych genomach polega na zmniejszeniu liczby, a nie rozmiaru genów.

Ciekawe jest porównanie tego, jak bakterie to robią. W tych o dużych genomach pewne istotne szlaki przemiany materii mogą biec drogami alternatywnymi: jeżeli coś złego przytrafi się genom jednego szlaku - bakteria wykorzysta drugi, trzeci itd. U bakterii z małym genomem awaria genetyczna jednej drogi często oznacza śmierć osobnika. W ten sposób wagę życiową procesu odczytać można bardzo łatwo z liczby wariantów jego realizacji. Wielkość ta zmienia się także wyraźnie w zależności od naturalnego środowiska życia mikroorganizmu - mówił o tym niedawno w Warszawie wybitny genetyk z Francji, Piotr Słonimski, operując danymi pochodzącymi z czasochłonnej analizy genomów drożdży i bakterii, zaprogramowanej dla dwu gigantycznych komputerów we Francji i Izraelu.

Ogólnie mówiąc, za ważne ewolucja uznała budowę błon biologicznych, pozyskiwanie energii do życia, rozmnażanie. Można to było bez trudu przewidzieć, ale teraz wiemy to na pewno.

Nawet jeśli nie widzimy dziś jeszcze bezpośrednich zastosowań informacji uzyskanych dzięki badaniu genomów, zainwestowane pieniądze nie zostaną zmarnowane. Zdobyta wiedza przyda się zapewne, choćby do walki z powszechnie występującymi chorobami. Malaria np. dotyka rocznie do 500 mln ludzi, w tym 2 mln, głównie dzieci, umiera. Na gruźlicę, nad którą, wydawało się, już zapanowaliśmy, zapada
8 mln ludzi rocznie, a 40-50% z nich umiera. Leczenie chorób wywołanych przez bakterie odporne na antybiotyki kosztuje rocznie 4 mld dolarów. Uważa się, że poznawanie budowy
genomów bakterii - sprawców niektórych z tych kłopotów, pełnego zapisu informacji genetycznej - pozwoli na dogłębną charakterystykę mechanizmów rozwoju trudnych do opanowania chorób, a to z kolei na projektowanie nowych leków. One, oczywiście, mają też swoją cenę, ale może przynajmniej będą skuteczniejsze. Oczekiwania takie związane są z poznaniem genetycznego zapisu Helicobacter pylori (patrz: Z antybiotykiem na wrzody, "WiŻ" nr 6/1996), bakterii uczestniczącej w rozwoju owrzodzeń przewodu pokarmowego. Można sądzić, że potwierdzenie lub zaprzeczenie tej tezy, wraz z propozycją terapii, zapisane jest w jej genach.

To, czego dowiedzieliśmy się o kolejno poznawanych bakteriach, jest dopiero początkiem długiej drogi odkrywczej. Każdy gen, znany już bądź nowy, pozwala na formułowanie kolejnych pytań badawczych, na próbę globalnego spojrzenia na żywe komórki, potrzeby i sposób ich zaspokajania, rozwiązywanie złożonych problemów życiowych dzięki współdziałaniu wielu genów i białek. Trzeba przestać widzieć "wszystko oddzielnie", a pokusić się o wielkie uogólnienia o życiu. Na Escherichia coli świat się przecież nie kończy.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(01/96) JAK ŻYĆ Z 470 GENAMI?
(06/96) Z ANTYBIOTYKIEM NA WRZODY
(01/97) DROŻDŻE W KOMPUTERZE
(02/97) TRANSGENICZNA ŻYWNOŚĆ