Ketika Anda lahir, Anda mewarisi setengah gen Anda dari ibu Anda dan setengah dari ayah Anda. Itu milikmu. Bagian-bagian DNA yang diwariskan itu akan tetap bersama Anda sepanjang hidup Anda, tanpa tambahan atau penghilangan lebih lanjut. Anda tidak dapat memiliki gen saya, dan saya tidak dapat memperoleh gen Anda.
Konten terkait
- Anda Adalah Yang Anda Makan, Dan Yang Anda Makan Adalah Jutaan Mikroba
- Captive Komodo Dragons Berbagi Microbiome yang Bertema dengan Lingkungannya, Sama Seperti Kami
Tetapi bayangkan dunia yang berbeda di mana teman dan kolega dapat bertukar gen sesuka hati. Jika bos Anda memiliki gen yang membuatnya tahan terhadap berbagai virus, Anda dapat meminjamnya. Jika anak Anda memiliki gen yang membuatnya berisiko terkena penyakit, Anda dapat menukarnya dengan versi yang lebih sehat. Jika saudara jauh memiliki gen yang memungkinkan mereka untuk mencerna makanan tertentu dengan lebih baik, itu milik Anda. Di dunia ini, gen bukan hanya warisan yang diturunkan secara vertikal dari satu generasi ke generasi berikutnya, tetapi juga komoditas yang akan diperdagangkan secara horizontal, dari satu individu ke individu lainnya.
Inilah dunia tempat bakteri hidup. Mereka dapat bertukar DNA semudah kita bertukar nomor telepon, uang, atau ide. Kadang-kadang, mereka saling berpandangan satu sama lain, membuat tautan fisik, dan mengirim kembali potongan-potongan DNA: setara dengan jenis kelamin mereka. Mereka juga dapat mengambil potongan-potongan DNA yang dibuang di lingkungan mereka, ditinggalkan oleh tetangga mereka yang mati dan membusuk. Mereka bahkan dapat mengandalkan virus untuk memindahkan gen dari satu sel ke sel lainnya. DNA mengalir begitu bebas di antara mereka sehingga genom bakteri khas dipenuhi dengan gen yang datang dari rekan-rekannya. Bahkan strain yang berkaitan erat mungkin memiliki perbedaan genetik yang substansial.
Bakteri telah melakukan transfer gen horizontal ini, atau singkatnya HGT, selama miliaran tahun. Tetapi baru pada tahun 1920an para ilmuwan pertama kali menyadari apa yang terjadi. Mereka memperhatikan bahwa strain Pneumococcus yang tidak berbahaya dapat tiba-tiba mulai menyebabkan penyakit setelah bergaul dengan orang mati dan sisa-sisa strain infeksius. Sesuatu dalam ekstrak telah mengubahnya. Pada tahun 1943, seorang "revolusioner yang tenang" dan ahli mikrobiologi bernama Oswald Avery menunjukkan bahwa bahan transformatif ini adalah DNA, yang telah diserap dan diintegrasikan oleh strain non-infeksi ke dalam genom mereka sendiri. Empat tahun kemudian, seorang ahli genetika muda bernama Joshua Lederberg (yang nantinya akan mempopulerkan kata "microbiome") menunjukkan bahwa bakteri dapat memperdagangkan DNA secara lebih langsung.
Saya Mengandung Banyak Orang: Mikroba di Dalam Kita dan Pandangan Hidup yang Lebih Besar
MembeliEnam puluh tahun kemudian, kita tahu bahwa HGT adalah salah satu aspek paling penting dari kehidupan bakteri. Ini memungkinkan bakteri berevolusi dengan kecepatan terik. Ketika mereka menghadapi tantangan baru, mereka tidak harus menunggu mutasi yang tepat untuk perlahan-lahan mengumpulkan dalam DNA yang ada. Mereka hanya dapat meminjam adaptasi secara grosir, dengan mengambil gen dari para pengamat yang telah beradaptasi dengan tantangan yang ada. Gen-gen ini sering termasuk perangkat makan untuk memecah sumber energi yang belum dimanfaatkan, perisai yang melindungi terhadap antibiotik atau gudang senjata untuk menginfeksi host baru. Jika bakteri inovatif mengembangkan salah satu alat genetik ini, tetangganya dapat dengan cepat mendapatkan sifat yang sama. Proses ini dapat secara instan mengubah mikroba dari penghuni usus yang tidak berbahaya menjadi monster penyebab penyakit, dari Jekyll yang damai menjadi Hydes yang menyeramkan.
Mereka juga dapat mengubah patogen rentan yang mudah untuk dibunuh menjadi "super" yang mengerikan yang mengabaikan bahkan obat-obatan kita yang paling manjur. Penyebaran bakteri yang resisten antibiotik ini tidak diragukan lagi merupakan salah satu ancaman kesehatan masyarakat terbesar di abad ke-21, dan itu merupakan bukti kekuatan HGT yang tak terkendali.
Hewan tidak begitu cepat. Kami beradaptasi dengan tantangan baru dengan cara lambat dan stabil seperti biasa. Individu dengan mutasi yang membuat mereka paling cocok dengan tantangan hidup lebih mungkin untuk bertahan hidup dan meneruskan hadiah genetik mereka ke generasi berikutnya. Seiring waktu, mutasi yang bermanfaat menjadi lebih umum, sementara yang berbahaya memudar. Ini adalah seleksi alam klasik — proses lambat dan mantap yang memengaruhi populasi, bukan individu. Lebah elang, dan manusia mungkin secara bertahap mengakumulasi mutasi yang menguntungkan, tetapi lebah individu itu, atau elang khusus ini, atau manusia-manusia khusus itu tidak dapat mengambil gen yang bermanfaat untuk diri mereka sendiri.
Kecuali terkadang, mereka bisa. Mereka bisa menukar mikroba simbiotik mereka, secara instan mendapatkan paket gen mikroba baru. Mereka dapat membawa bakteri baru ke dalam kontak dengan mereka yang ada di tubuh mereka, sehingga gen asing bermigrasi ke microbiome mereka, menanamkan mikroba asli mereka dengan kemampuan baru. Pada kesempatan langka namun dramatis, mereka dapat mengintegrasikan gen mikroba ke dalam genom mereka sendiri.
Wartawan yang bersemangat terkadang suka menyatakan bahwa HGT menantang pandangan Darwin tentang evolusi, dengan membiarkan organisme melarikan diri dari tirani warisan vertikal. (“Darwin salah, ” memproklamirkan sampul Ilmuwan Baru yang terkenal — salah.) Ini tidak benar. HGT menambahkan variasi baru ke dalam genom hewan, tetapi begitu gen-gen yang melompat ini tiba di rumah baru mereka, mereka masih harus melalui seleksi alam yang baik.
Yang merusak mati bersama dengan host baru mereka, sementara yang menguntungkan diteruskan ke generasi berikutnya. Ini sama klasiknya dengan Darwinian — vanila dalam rasanya dan hanya luar biasa dalam kecepatannya. Dengan bermitra dengan mikroba, kita dapat mempercepat adagio musik evolusioner kita yang lambat dan disengaja menjadi allegro mereka yang hidup dan bersemangat.
**********
Di sepanjang pantai Jepang, rumput laut coklat kemerahan menempel di bebatuan pasang surut. Ini adalah Porphyra, lebih dikenal sebagai nori, dan telah mengisi perut Jepang selama lebih dari 1.300 tahun. Pada awalnya, orang-orang memasukkannya ke dalam pasta yang dapat dimakan. Kemudian, mereka meratakannya menjadi lembaran-lembaran, yang mereka bungkus dengan potongan sushi. Praktek ini berlanjut hingga hari ini dan popularitas nori telah menyebar ke seluruh dunia. Tetap saja, ia memiliki ikatan khusus dengan Jepang. Warisan panjang konsumsi nori negara telah membuat rakyatnya memiliki perlengkapan yang sangat baik untuk mencerna sayuran laut. Kami tidak memiliki enzim apa pun yang dapat memecah ganggang, dan begitu pula sebagian besar bakteri di dalam usus kami.
Tapi laut penuh dengan mikroba yang lebih lengkap. Salah satunya, bakteri yang disebut Zobellia galactanivorans, ditemukan hanya satu dekade yang lalu, tetapi telah memakan rumput laut lebih lama. Gambar Zobellia, berabad-abad lalu, hidup di perairan Jepang pesisir, duduk di atas rumput laut dan mencernanya. Tiba-tiba, dunianya tumbang. Seorang nelayan mengumpulkan rumput laut dan menggunakannya untuk membuat pasta nori. Keluarganya melahap potongan-potongan ini, dan dengan melakukan itu, mereka menelan Zobellia . Bakteri menemukan dirinya di lingkungan baru. Air garam dingin telah digantikan dengan jus lambung. Kotoran mikroba lautnya yang biasa telah digantikan oleh spesies aneh dan asing. Dan ketika bercampur dengan orang asing yang eksotis ini, ia melakukan apa yang biasanya dilakukan bakteri ketika mereka bertemu: Membagi gen-gennya.
Kita tahu bahwa ini terjadi karena Jan-Hendrick Hehemann menemukan salah satu gen Zobellia dalam bakteri usus manusia yang disebut Bacteroides plebeius . Penemuan itu benar-benar mengejutkan: apa yang dilakukan gen laut di dalam usus manusia yang sedang mendarat? Jawabannya melibatkan HGT. Zobellia tidak beradaptasi dengan kehidupan di usus, jadi ketika ia mengendarai nori, ia tidak bertahan. Tetapi selama masa jabatannya yang singkat, ia dapat dengan mudah menyumbangkan sebagian gennya kepada B. plebeius, termasuk yang membangun enzim pencerna rumput laut yang disebut porphyranases.
Tiba-tiba, mikroba usus itu memperoleh kemampuan untuk memecah karbohidrat unik yang ditemukan di nori, dan dapat menikmati sumber energi eksklusif yang tidak dapat digunakan oleh rekan-rekannya. Hehemann menemukan bahwa itu penuh dengan gen yang rekan terdekatnya ada di mikroba laut daripada di spesies berbasis usus lainnya. Dengan berulang kali meminjam gen dari mikroba laut, ia sudah mahir mencerna sayuran laut.
B. plebeius tidak sendirian dalam pencuri enzim laut. Orang Jepang telah memakan nori begitu lama sehingga mikroba ususnya dibumbui dengan gen pencernaan dari spesies lautan. Akan tetapi, transfer seperti itu masih belum terjadi: Koki modern memanggang dan memasak nori, membakar mikroba yang menumpang apa pun. Para pengunjung abad yang lalu hanya berhasil mengimpor mikroba seperti itu ke dalam nyali mereka dengan memakan makanan mentah.
Mereka kemudian melewati mikroba usus mereka, yang sekarang diisi dengan gen porphyranase pemecah rumput laut, kepada anak-anak mereka. Hehemann melihat tanda-tanda warisan yang sama terjadi hari ini. Salah satu orang yang ia pelajari adalah seorang bayi perempuan yang tidak disapih, yang tidak pernah makan seteguk sushi dalam hidupnya. Namun, bakteri ususnya memiliki gen porphyranase, seperti halnya ibunya. Mikroba-mikroba-nya datang sebelum diadaptasi untuk melahap nori.
Hehemann menerbitkan penemuannya pada tahun 2010 dan itu tetap menjadi salah satu kisah microbiome paling mencolok di sekitar. Hanya dengan makan rumput laut, pengunjung Jepang berabad-abad lalu memesan sekelompok gen pencernaan dalam perjalanan luar biasa dari laut ke darat. Gen-gen bergerak secara horizontal dari mikroba laut ke usus, dan kemudian secara vertikal dari satu usus ke yang lain. Perjalanan mereka mungkin lebih jauh. Pada awalnya, Hehemann hanya bisa menemukan gen porfirin dalam mikrobioma Jepang dan bukan yang Amerika Utara. Itu sekarang telah berubah: Beberapa orang Amerika jelas memiliki gen, bahkan mereka yang bukan keturunan Asia.
Bagaimana itu bisa terjadi? Apakah B. plebeius melompat dari nyali Jepang ke nyali Amerika? Apakah gen-gen itu berasal dari mikroba laut lain yang menyimpan makanan yang berbeda? Orang Wales dan Irlandia telah lama menggunakan rumput laut Porphyra untuk membuat hidangan yang disebut bejana; mungkinkah mereka memperoleh porfiria yang kemudian mereka bawa melintasi Atlantik? Untuk saat ini, tidak ada yang tahu. Tetapi pola tersebut “menunjukkan bahwa begitu gen-gen ini mengenai inang awal, di mana pun itu terjadi, mereka dapat menyebar antar individu, ” kata Hehemann.
Ini adalah contoh gemilang dari kecepatan adaptif yang diberikan HGT. Manusia tidak perlu mengembangkan gen yang dapat memecah karbohidrat dalam rumput laut; jika kita menelan cukup banyak mikroba yang dapat mencerna zat-zat ini, ada kemungkinan bakteri kita akan "mempelajari" triknya melalui HGT.
HGT tergantung pada kedekatan, dan tubuh kami merekayasa kedekatan dalam skala besar dengan mengumpulkan mikroba menjadi keramaian. Dikatakan bahwa kota adalah pusat inovasi karena mereka memusatkan orang di tempat yang sama, memungkinkan ide dan informasi mengalir lebih bebas. Dengan cara yang sama, tubuh hewan adalah pusat inovasi genetik, karena mereka memungkinkan DNA mengalir lebih bebas di antara massa mikroba yang meringkuk. Tutup mata Anda, dan gambar gelendong gen yang merambat di sekitar tubuh Anda, berpindah dari satu mikroba ke mikroba lainnya. Kami adalah pasar yang ramai, di mana pedagang bakteri menukar barang genetik mereka.
***********
Tubuh hewan adalah rumah bagi begitu banyak mikroba yang terkadang, gen mereka masuk ke dalam genom kita. Dan terkadang, gen-gen ini melimpahkan host baru mereka dengan kemampuan luar biasa.
Kumbang penggerek biji kopi adalah hama yang telah memasukkan gen bakteri ke dalam genomnya sendiri, yang memungkinkan larvanya untuk mencerna perjamuan karbohidrat yang subur di dalam biji kopi. Tidak ada serangga lain — bahkan bukan saudara yang sangat dekat — yang memiliki gen yang sama atau sejenisnya; hanya bakteri yang melakukannya. Dengan melompat menjadi penggerek kopi kuno, gen ini memungkinkan kumbang sederhana ini menyebar ke seluruh daerah penghasil kopi di seluruh dunia dan menjadi sakit kerajaan dalam espresso.
Petani, kemudian, punya alasan untuk membenci HGT — tetapi juga alasan untuk merayakannya. Untuk satu kelompok tawon, braconid, gen yang ditransfer telah memungkinkan bentuk pengendalian hama yang aneh. Betina dari tawon-tawon ini bertelur di ulat yang masih hidup, yang dimakan oleh anak-anak mereka hidup-hidup. Untuk membantu belatung, betina juga menyuntikkan ulat dengan virus, yang menekan sistem kekebalan tubuh mereka. Ini disebut bracovirus, dan mereka bukan hanya sekutu tawon: Mereka adalah bagian dari tawon. Gen mereka telah sepenuhnya terintegrasi ke dalam genom braconid, dan berada di bawah kendali.
The bracovirus adalah virus yang dijinakkan! Mereka sepenuhnya bergantung pada tawon untuk reproduksi mereka. Beberapa mungkin mengatakan itu bukan virus sejati; mereka hampir seperti sekresi tubuh tawon daripada entitas dalam hak mereka sendiri. Mereka pasti telah diturunkan dari virus purba, yang gen-gennya menyerbu masuk ke DNA seorang leluhur braconid dan tinggal di sana. Penggabungan ini memunculkan lebih dari 20.000 spesies tawon braconid, yang semuanya memiliki bracovirus dalam genomnya — sebuah dinasti besar dari parasit yang menggunakan virus simbiotik sebagai senjata biologis.
Hewan lain telah menggunakan gen yang ditransfer secara horizontal untuk mempertahankan diri dari parasit. Bakteri, bagaimanapun, adalah sumber utama antibiotik. Mereka telah berperang satu sama lain selama miliaran tahun dan telah menemukan gudang senjata genetika yang luas untuk mengalahkan saingan mereka. Satu keluarga gen, yang dikenal sebagai tae, membuat protein yang melubangi dinding luar bakteri, menyebabkan kebocoran fatal. Ini dikembangkan oleh mikroba untuk digunakan melawan mikroba lain. Tetapi gen-gen ini telah menemukan jalan mereka ke hewan juga. Kalajengking, tungau dan kutu memilikinya. Begitu juga anemon laut, tiram, kutu air, limpet, siput laut, dan bahkan lancelet — kerabat yang sangat dekat dengan hewan bertulang belakang seperti kita.
Keluarga tae mencontohkan jenis gen yang menyebar dengan sangat mudah melalui HGT. Mereka mandiri, dan tidak membutuhkan peran pendukung gen lain untuk melakukan pekerjaan mereka. Mereka juga bermanfaat secara universal, karena mereka membuat antibiotik. Setiap makhluk hidup harus bersaing dengan bakteri, sehingga setiap gen yang memungkinkan pemiliknya untuk mengendalikan bakteri secara lebih efektif akan menemukan pekerjaan yang menguntungkan di seluruh pohon kehidupan. Jika bisa melakukan lompatan, itu punya peluang bagus untuk menjadikan dirinya sebagai bagian produktif dari tuan rumah barunya. Semua lompatan ini lebih mengesankan karena kita manusia, dengan semua kecerdasan dan teknologi kita, secara positif berjuang untuk menciptakan antibiotik baru. Begitu bingungnya kita sehingga kita belum menemukan jenis baru selama beberapa dekade. Tetapi hewan sederhana seperti kutu dan anemon laut dapat membuatnya sendiri, secara instan mencapai apa yang kita butuhkan untuk melakukan banyak penelitian dan pengembangan — semua melalui transfer gen horizontal.
Kisah-kisah ini menggambarkan HGT sebagai kekuatan tambahan, yang menanamkan mikroba dan hewan dengan kekuatan baru yang menakjubkan. Tapi itu juga bisa mengurangi. Proses yang sama yang memberikan kemampuan mikroba yang berguna pada penerima hewan dapat membuat mikroba itu sendiri layu dan membusuk, ke titik di mana mereka menghilang sepenuhnya dan hanya warisan genetik mereka yang tersisa.
Makhluk yang paling mencontohkan fenomena ini dapat ditemukan di rumah kaca dan ladang di seluruh dunia, yang sangat mengecewakan petani dan tukang kebun. Ini adalah kutu putih jeruk: serangga pengisap getah kecil yang terlihat seperti serpihan ketombe yang berjalan atau kutu kayu yang ditaburi tepung. Paul Buchner, sarjana simbion yang sangat rajin, berkunjung ke klan kutu putih dalam perjalanannya ke dunia serangga. Tidak ada yang terkejut, ia menemukan bakteri di dalam sel mereka. Tetapi, yang lebih luar biasa, ia juga menggambarkan '' gumpalan mucilaginous bulat atau gondrong di mana simbion tertanam tebal '. Gumpalan ini merana selama beberapa dekade hingga tahun 2001, ketika para ilmuwan mengetahui bahwa mereka bukan hanya rumah bagi bakteri. Mereka sendiri adalah bakteri.
Kutu tepung jeruk adalah boneka matryoshka yang hidup. Ia memiliki bakteri yang hidup di dalam selnya, dan bakteri itu memiliki lebih banyak bakteri yang hidup di dalamnya. Bug dalam bug di dalam bug. Yang lebih besar sekarang disebut Tremblaya setelah Ermenegildo Tremblay, seorang ahli entomologi Italia yang belajar di bawah Buchner. Yang lebih kecil disebut Moranella setelah Nancy Moran. (“Ini semacam hal kecil yang menyedihkan untuk dinamai menurutmu, ” katanya padaku sambil tersenyum.)
John McCutcheon telah mengetahui asal-usul hierarki yang aneh ini — dan hampir tidak bisa dipercaya dalam tikungan dan belokannya. Itu dimulai dengan Tremblaya, yang pertama dari dua bakteri yang menjajah kutu putih. Itu menjadi penduduk permanen dan, seperti banyak simbion serangga, ia kehilangan gen yang penting bagi kehidupan yang bebas. Dalam batas nyaman host barunya, ia mampu bertahan dengan genom yang lebih ramping. Ketika Moranella bergabung dengan simbiosis dua arah ini, Tremblaya sanggup kehilangan gen lebih banyak lagi, dengan jaminan bahwa pendatang baru akan mengendur. Di sini, HGT lebih lanjut tentang evakuasi gen bakteri dari kapal terbalik. Ini mempertahankan gen yang jika tidak akan hilang oleh pembusukan yang tak terelakkan yang menimpa genom simbion.
Misalnya, ketiga mitra bekerja sama untuk membuat nutrisi. Untuk membuat asam amino fenilalanin, mereka membutuhkan sembilan enzim. Tremblaya dapat membangun 1, 2, 5, 6, 7, dan 8; Moranella dapat menghasilkan 3, 4, dan 5; dan kutu putih itu sendiri yang membuat yang ke-9. Baik kutu putih maupun kedua bakteri tidak dapat membuat fenilalanin sendiri; mereka bergantung satu sama lain untuk mengisi kekosongan dalam repertoar mereka. Ini mengingatkan saya pada Graeae mitologi Yunani: tiga saudara perempuan yang berbagi satu mata dan satu gigi di antara mereka. Apa pun yang lebih akan menjadi berlebihan: Pengaturan mereka, meskipun aneh, masih memungkinkan mereka untuk melihat dan mengunyah. Begitu pula dengan kutu putih dan simbionnya. Mereka berakhir dengan jaringan metabolisme tunggal, didistribusikan di antara tiga genom pelengkap mereka. Dalam aritmatika simbiosis, satu tambah satu ditambah satu dapat sama dengan satu.
*********
Dunia di sekitar kita adalah reservoir raksasa mitra mikroba potensial. Setiap suapan dapat membawa mikroba baru yang mencerna bagian makanan kita yang sebelumnya tidak bisa dihancurkan, atau yang mendetoksifikasi racun dalam makanan yang sebelumnya tidak bisa dimakan, atau yang membunuh parasit yang sebelumnya menekan jumlah kita. Setiap mitra baru mungkin membantu tuan rumah makan sedikit lebih banyak, bepergian sedikit lebih jauh, bertahan sedikit lebih lama.
Sebagian besar hewan tidak dapat memanfaatkan adaptasi sumber terbuka ini dengan sengaja. Mereka harus mengandalkan keberuntungan untuk memberi mereka pasangan yang tepat. Tapi kita manusia tidak begitu dibatasi. Kami adalah inovator, perencana dan pemecah masalah. Dan kita memiliki satu keuntungan besar yang tidak dimiliki oleh semua hewan lain: Kita tahu bahwa mikroba itu ada! Kami telah menemukan instrumen yang dapat melihatnya.
Kita bisa menumbuhkannya dengan sengaja. Kami memiliki alat yang dapat menguraikan aturan yang mengatur keberadaan mereka, dan sifat kemitraan mereka dengan kami. Dan itu memberi kita kekuatan untuk memanipulasi kemitraan itu dengan sengaja. Kita dapat mengganti komunitas mikroba yang goyah dengan yang baru yang akan mengarah pada kesehatan yang lebih baik. Kita bisa membuat simbiosis baru yang melawan penyakit. Dan kita bisa mematahkan aliansi lama yang mengancam hidup kita.
Dari buku yang akan datang, AKU MENGANDUNG MULTITUDES: The Microbes Within Us dan Grander View of Life oleh Ed Yong. Hak Cipta © 2016 oleh Ed Yong. Untuk diterbitkan pada 9 Agustus oleh Ecco, sebuah cetakan HarperCollins Publishers. Dicetak ulang dengan izin .
