Joanna Kaliszczyk

O dowodzie na przypadkowość mutacji

 

Należy zachować ostrożność w używaniu słowa ‘dowód’ w nauce. Zawsze mówiłem, że konwencjonalni ewolucjoniści wieszali bardzo ciężki płaszcz na bardzo słabym wieszaku, kiedy cytowali Lurię i Delbrücka. Wieszak pękł w pierwszej dekadzie tego stulecia.

(James A. Shapiro)

 

Dlaczego przystosowywań do środowiska nie zalicza się do czynności życiowych

Na lekcjach biologii wiele razy słyszeliśmy o czynnościach życiowych organizmów. Należy do nich odżywianie, oddychanie, wydalanie, rozmnażanie się, wzrost i rozwój, ruch oraz reagowanie na bodźce. O istotach żywych można też na pewno powiedzieć, że mają budowę komórkową, przeprowadzają procesy metaboliczne, mają zdolność do powielania się i dziedziczenia cech oraz utrzymywania równowagi wewnętrznej, czyli homeostazy.

Jeśli jednak ktoś (kto ma to szczęście, że chodzi jeszcze do szkoły) rozpędziłby się i wymienił tu jeszcze zdolność do ewoluowania (w tym przypadku rozumianą jako mikroewolucyjne przystosowywanie się do warunków środowiska), to szybko zostały sprostowany przez nauczyciela, że zjawisko ewoluowania nie jest przyczynowo związane z aktywnością żywych istot. Jak się uważa, ulegają one ewolucji przystosowawczej, ale jest to zjawisko wykraczające poza poziom osobnika. O ile bowiem przebieg poszczególnych czynności życiowych jest ściśle kontrolowany przez daną istotę, to uważa się, że nie można tego powiedzieć o jej dziedzicznym przystosowywaniu do zmienionych warunków. To, że w nowych warunkach przetrwały jakieś rośliny czy zwierzęta, wyjaśnia się przypadkowym powstaniem zmian (czyli mutacji) w ich materiale genetycznym i ich selekcji po wpływem środowiska. Jak powszechnie się uważa, organizm nie kontroluje tworzenia tych zmian i tylko splot warunków zewnętrznych rozstrzyga, które z nich zachowają się w kolejnych pokoleniach. Oczywiście proces ten musi dotyczyć bardzo licznych grup – toczy się przez wielopokoleniowe populacje.

Tak więc wygląda na to, że każda żywa istota, zdolna do zdobywania pożywienia i orientacji w otoczeniu, istota w której wnętrzu toczy się wciąż precyzyjny proces przemiany materii, odbudowa komórek i tkanek, a nawet naprawa materiału genetycznego, ostatecznie nie jest zdolna do uruchomienia działań umożliwiających przystosowanie się do warunków otoczenia przekazywane potomstwu. Jeśli będziemy próbować podważyć taki sposób myślenia, możemy usłyszeć, że Lamarck kiedyś szedł tym tropem i nic dobrego z tego nie wynikło. Powszechnie uważa się bowiem, że dziedziczone przystosowania do nowych warunków życia są wyłącznie wynikiem przypadkowych zmian genetycznych. Można o tym przeczytać w dziesiątkach podręczników. Co więcej - ortodoksyjni ewolucjoniści utrzymują, że nie ma także żadnych dowodów na aktywne tworzenie zmian w materiale genetycznym:

W istocie, nie znamy żadnego dowodu na to, że mutacje tworzone są nielosowo, lub ‘adaptacyjnie’, tzn. że występowanie mutacji wykazuje tendencje zwiększające prawdopodobieństwo odniesienia korzyści w momencie ich wystąpienia, zwłaszcza gdy otoczenie zmienia się w sposób, który wymaga korzystnych mutacji jako paliwa dla ewolucji adaptacyjnej.[1]

 

„Dowód” na przypadkowość mutacji

            Jako uzasadnienie poglądu o przypadkowym trybie tworzenia adaptacji przytaczany jest m.in. eksperyment amerykańskich naukowców Salvadora Lurii i Maxa Delbrücka ^[2] (statystyczny test fluktuacji). Doświadczenie to zostało przeprowadzone w 1943 roku. Miało ono dostarczyć wyjaśnienia, który z poglądów ówczesnych mikrobiologów jest słuszny. ^[3] Część uczonych, np. D’Herelle, frankokanadyjski mikrobiolog, współodkrywca bakteriofagów i pomysłodawca terapii fagowej postulował (1926), że bakterie stają się odporne na skutek bezpośredniego kontaktu z wirusem (teoria adaptacyjna – bakterie aktywnie przystosowują się do obrony przed wirusem). Z kolei inni, np. Gratia (1921) i Burnet (1929) utrzymywali (tak jak współcześni ewolucjoniści), że powodem odporności bakterii są spontaniczne mutacje (teoria mutacyjna – odporne bakterie istniały w kolonii przed dodaniem wirusa, a dodanie wirusa jedynie umożliwiło ich intensywne namnażanie poprzez eliminacje form niezmienionych).

W doświadczeniu uczeni wykorzystali znaną bakterię, pałeczkę okrężnicy (Escherichia coli, w skrócie E. coli). Rozmnaża się ona na użytych pożywkach średnio co 20 – 30 minut. Kolonie tej bakterii zainfekowano wirusem bakteryjnym (czyli bakteriofagiem) tzw. fagiem F1. Jest on jest bakteriofagiem wirulentnym (zjadliwym) dla E. coli. Jego cząstki adsorbują się na powierzchni komórek bakteryjnych dzięki oddziaływaniu stopki ogonka z receptorami w ścianie komórkowej bakterii. W wyniku infekcji większość bakterii ginie – w przybliżeniu w populacji złożonej z 10 000 osobników nie przeżywa żadna komórka. Badacze użyli oczywiście dużo liczniejszych hodowli bakterii (np. w hodowli zawierającej 10⁹ komórek po 24 – 48 godzinach przeżywa od kilku do kilkunastu kolonii). Wprowadzili następnie bakteriofaga do hodowli bakteryjnych. Otrzymane wyniki były bardzo zróżnicowane. W bardzo wielu hodowlach nie przeżyły żadne bakterie, w innych natomiast rozpiętość liczby żywych kolonii bakterii była bardzo duża. W niektórych przeżyło kilka, w innych – kilkanaście, a w jeszcze innych – kilkaset kolonii bakterii. Było to zgodne z przewidywaniami hipotezy mutacyjnej:

W każdej dostatecznie dużej populacji bakterii istnieją nieliczne formy odmienne, w tym oporne na faga F1. Powstają one z określonym bardzo małym prawdopodobieństwem będącym skutkiem spontanicznie zachodzących mutacji. Jeśli taką populacje potraktuje się fagiem, nastąpi selekcja – zniszczone zostaną wszystkie wrażliwe komórki, pozostawiając przestrzeń życiową dla spontanicznych mutantów opornych, które w tych warunkach będą mnożyć się swobodnie. […] Mimo jednakowej liczebności hodowli należało oczekiwać znacznych różnic (fluktuacji) w liczbie form opornych, wyższych niż różnice wynikające z błędu próbki. [4]

Innego wyniku należałoby oczekiwać, gdyby oporność na faga mogła potencjalnie zostać wytworzona przez każdą żywą komórkę. W wyniku tego w takich samych warunkach hodowli w każdej próbce powinny powstawać podobne ilości kolonii, pasujące do jakiejś formy rozkładu normalnego (różnice mieściłyby się w granicach błędu próbki).

Luria i Delbrück uznali zatem otrzymane wyniki za dowód na to, że w przypadku ich doświadczenia odporność na wirusy powstała niezależnie od działania wirusa, pozostawiając otwartą kwestię, czy jest to ogólna reguła, czy też nie.

 

„Wieszanie bardzo ciężkiego płaszcza na bardzo słabym wieszaku”

Debata na ten temat nie zakończyła się jednak do dziś. W ostatnich latach dzięki nowym możliwościom badawczym (sekwencjonowanie genomów) można było „zobaczyć”, że to, co dzieje się w komórkach bakteryjnych, to prawdziwa inżynieria genetyczna w wykonaniu bakterii. O możliwościach aktywnej adaptacji bakterii pisał już w 1997 roku James A. Shapiro, [5] mikrobiolog, profesor z University of Chicago (Department of Biochemistry and Molecular Biology). [6] Shapiro jest zwolennikiem poglądu, że organizmy posiadają zdolności przystosowania się do zmian środowiska, przebudowując precyzyjnie swoje struktury i fragmenty genomu. Niedawno na swoim blogu Shapiro skomentował eksperyment Lurii i Delbrücka.

Odnosząc się niego Shapiro przede wszystkim wskazuje, że biorąc pod uwagę letalną naturę wirusa T selekcjonującego bakterie, nie można było otrzymać innego wyniku. Tego rodzaju infekcje mogą przeżyć tylko formy posiadające już w chwili ataku bakteriofaga cechę umożliwiającą ochronę.

Nie musi to być jakaś złożona zmiana. Wystarczy brak receptora dla danego faga na powierzchni komórki bakterii, a atak wirusa będzie nieudany. [7] Może być również tak, że przypadkowa mutacja w materiale genetycznym bakterii zaburza funkcjonowanie receptora. To wystarczy, aby fag nie mógł zaatakować tak zmienionej bakterii. [8]

Na tym jednak Shapiro nie kończy komentarza eksperymentu. Fakt, że w materiale genetycznym zachodzą przypadkowe mutacje, które czasem mogą okazać się korzystne, [9] nie wyklucza istnienia innych przyczyn przeżycia bakterii. Jak pisze:

Należy zachować ostrożność w używaniu słowa „dowód” w nauce. Zawsze mówiłem, że konwencjonalni ewolucjoniści wieszali bardzo ciężki płaszcz na bardzo słabym wieszaku, kiedy cytowali Lurię i Delbrücka. Wieszak pękł w pierwszej dekadzie tego stulecia. [10]

Jakie odkrycie stawia pod znakiem zapytania dotąd przyjęte wyjaśnienie omawianego doświadczenia? Okazuje się, że bakterie dysponują mechanizmami precyzyjnego wyłapywania informacji o zagrożeniu, tworzą „rejestr” przeżywanych zagrożeń, i co najistotniejsze – konstruują genetyczne narzędzia do unieszkodliwienia wroga. Struktury mogące pełnić takie funkcje opisali już pod koniec lat 80. ubiegłego wieku japońscy specjaliści badający genom Escherichia coli. Zauważyli oni w DNA tej bakterii regularnie rozmieszczone sekwencje. Zostały one nazwane CRISPR (skrót CRISPR pochodzi z angielskiego Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeat i oznacza „skupione, oddzielone regularnymi przerwami powtórzenia palindromiczne”. [11] W tym przypadku składały się one z 14 powtórzeń po 29 par zasad (pz), pooddzielanych od siebie unikalnymi fragmentami długości 32-33 pz.

Początkowo ich znaczenie nie było znane, jednak powszechność ich występowania (dosłownie „wyskakiwały” z analizy komputerowej) wskazywała na funkcjonalność. W związku z rozwojem techniki sekwencjonowania w ciągu następnych 20 lat opisano więcej tego typu struktur. W literaturze fachowej można znaleźć wiele doniesień na ten temat. Do tej pory regiony CRISPR wykryto w genomach 40% znanych bakterii i u 90% archeonów. [12] W latach 2002 – 2006 zidentyfikowano również geny tzw. CAS w sąsiedztwie CRISPR. Ich powiązania z CRISPR sugerowały funkcję biologiczną wszystkich tych struktur.

 

Ustalenia w sprawie działania CRISPR

Analiza krótkich segmentów CRISPR wykazała, że zawierają one sekwencje wirusów i inne rodzaje inwazyjnego DNA. Wskazywało to, że CRISPR może służyć jako swego rodzaju bank pamięci przebytych infekcji komórki bakteryjnej. Przypuszczano także, że system CRISPR stanowi nie tylko archiwum zakażeń, ale pełni również funkcję związane z obroną bakterii przed obcym materiałem genetycznym.

Pierwsze hipotezy na ten temat sformułowano w 2005 r. Wskazywała na to w pierwszym rzędzie obecność fragmentów DNA fagów w sekwencjach łącznikowych CRISPR. Stwierdzono również, że wrażliwość bakterii na infekcje fagami spada proporcjonalnie do liczby powtarzających się sekwencji łącznikowych w CRISPR.

W 2007 roku potwierdzono doświadczalnie, że fragmenty DNA fagów użytych doświadczalnie do infekcji bakterii Streptococcus thermophilus zostały wbudowane do ich CRISPR. Stwierdzono to na podstawie badań molekularnych materiału genetycznego wyselekcjonowanych z hodowli 9 mutantów bakterii opornych na dalszą infekcję. Ich DNA poddano sekwencjonowaniu, które wykazało, że każdy z tych mutantów w czasie infekcji nabył od 1 do 3 nowych sekwencji łącznikowych, które zostały wbudowane bardzo precyzyjnie w te same miejsca DNA. Sekwencje te wykazywały 100 % homologii z odpowiednim regionem DNA użytego faga. Kiedy tę nabytą sekwencję przeniesiono do genomu szczepów bakterii nieodpornych na zakażenie, stwierdzono, że nabyły one odporność na badanego faga, a usuniecie jej wywołało utratę odporności. [13] Badania ekspresji genów tego regionu u innych bakterii wykazały także, że podczas ataku fagów następuje nadekspresja regionu CRISPR, genów CAS i genu receptora cAMP, co wskazuje na wykrywanie infekcji. [14]

System ten działa zatem niczym archiwum gromadzące „zdjęcia napastników”. W istocie jest to „pamięć genetyczna” nie do końca rozpracowana co do szczegółów molekularnego mechanizmu działania. Ogólnie system jest tak zorganizowany, że nowa czy też powtórna infekcja jest na bieżąco tłumiona. [15] W tym wszystkim bardzo ważną rolę odgrywa sposób gromadzenia danych – każdy odrębny „kod kreskowy” (czyli sekwencja faga) jest obudowany z dwóch stron powtarzalnymi sekwencjami (palindromami). Są one nie tylko zaangażowane w specyficzność odpowiedzi obronnej, ale też zwiększają dostępność „kodu kreskowego”.

W jaki sposób informacja z archiwum jest stosowana do zwalczania intruza? Oczywiście konieczne jest przepisanie „oryginału z archiwum” na mobilną kopię, która posłuży potem do „wyłapania” materiału genetycznego atakującego faga. Kaseta CRISPR („kod faga” wcześniej wbudowany w przerwy CRISPR wraz z powtórzeniami) zostaje przepisana na pojedynczą długą cząsteczkę RNA. Przepisana informacja może się „skręcać” w obszarach powtórzeń palindromowych, tworząc coś na kształt „szpilki do włosów” (przyjęta nazwa tego typu struktur). Białka CAS rozpoznają ich sekwencje lub „strukturę szpilki”  i rozcinają długie RNA na krótkie fragmenty (tzw. crRNA). Miejsce ciecia następuje poniżej ostatniego nukleotydu tworzącego strukturę „szpilki do włosów”. W wyniku tego powstają kawałki RNA, z których każdy zawiera przerwę i dwie połówki powtórzeń palindromowych. Kompleksy crRNA i określonych białek CAS łączą się z kwasami nukleinowymi fagów prowadząc do ich degradacji. Proces ten jest oczywiście o wiele bardziej skomplikowany, [16] ale podany opis wystarczy, aby bardziej szanować bakterie. System, który adaptuje je do infekcji wirusowej, odpowiada działaniem systemowi immunologicznemu kręgowców.

 

Implikacje aktywnego tworzenia adaptacji

            Jerry Coyne, ewolucjonista znany z artykułów publikowanych na stronach Racjonalisty, bardzo się denerwuje, że Shapiro krytykuje tradycyjny ewolucjonizm. Szczególnie boleje nad tym, że z pozycji biologa molekularnego podważa on, czy traktuje marginalnie, rolę ślepych mutacji i doboru naturalnego w tworzeniu przystosowań przez organizmy. Ostatecznie uważa on teksty pisane m.in. przez Shapiro za bardzo szkodliwe:

Często widzimy biologów molekularnych (np. James Shapiro) i filozofów (np. Thomas Nagel i Jerry Fodor) ogłaszających rychłą śmierć teorii ewolucyjnej, więc ktoś, kto nosi oba kapelusze, może być szczególnie otumaniony […] [17]

Jim Shapiro jest profesorem biochemii i biologii molekularnej tutaj, na Uniwersytecie w Chicago, więc mógłby chyba być uważany za kolegę, chociaż nie mam z nim niemal żadnego kontaktu. Śledzę jednak jego działalność przez literaturę — i to z niejaką konsternacją. Wydaje się, że Shapiro poświęca wiele czasu na wskazywanie, że nowoczesna teoria ewolucji („neo-darwinizm”) ma głębokie błędy i potrzebuje nowego paradygmatu. [18]

            Jego niechęć do wypowiedzi Shapiro nie może nikogo dziwić. Mówienie m.in. że organizmy „same mogą sobie coś poprzestawiać w genach, aby się ochronić”, to sól w oku rasowego ewolucjonisty, takiego jak Coyne. Bo choć Shapiro też deklaruje się jako ewolucjonista, to jego wizja ewolucji nie może usatysfakcjonować ateisty. Ateista potrzebuje przypadku, ślepych sił natury, bezwolnych organizmów miotanych czynnikami środowiskowymi i konieczności, która jest naturą i niczym więcej. A Shapiro podaje dane biologiczne świadczące o czym przeciwnym.

Opisany bakteryjny system CRISPR to tylko jeden z licznych przykładów na to, że organizmy żywe posiadają zdolności do aktywnego tworzenia przystosowań. Sposoby, w jaki pokonują trudności opanowując nowe nisze ekologiczne, czy radząc sobie z drastycznymi zmianami środowiska, są imponujące. Potrafią one przebudowywać swoje ciała, miniaturyzować je lub powiększyć, demontować aktualnie nieużywane narządy czy odtwarzać je w kolejnych pokoleniach, konstruować w swoich komórkach molekularne maszyny, przebudowywać własne DNA, [19] a nawet precyzyjnie korzystać z cudzego materiału genetycznego.

Do pewnego czasu wszystkie te zdolności uzgadniano z obowiązującą teorią ewolucji. Sposób uzgadniania polegał na zapewnianiu, że kształtowały się one przez długie okresy czasu, drogą odsiewania koślawych wytworów ewolucji. Ich obecna złożoność i precyzyjność miałyby mieć zawsze ten sam prymitywny i chaotyczny początek w genach, a koniec – w nieprzewidującej, naturalnej ewolucji. Mówiąc językiem obrazowym - zawsze nam mówiono, że mutacje i selekcja to symboliczny koń, a organizmy, to jedynie bierny i bezwolny wóz.

Obecne badania nad podłożem przystosowań organizmów ujawniają coś przeciwnego. Wykluczana odgórnie przez ewolucyjnych teoretyków precyzyjna, wyspecjalizowana, nielosowa i korzystna zmiana okazuje się być normą, nie wyjątkiem. Kiedyś można było ją przeoczyć i wrzucić do jednego worka opisanego „przypadkowe mutacje” . Dziś mówi się o naturalnej inżynierii genetycznej przeprowadzanej przez organizmy.

Jeśli organizmy posiadają takie zdolności i jest to powszechne zjawisko, to można zapytać po prostu – po co nam koń, który ciągnie tak bardzo samodzielny wóz?          

Joanna Kaliszczyk