Biologiczna „tablica Mendelejewa”, czyli po co w nauce uogólnienia

W nauce biologii nie cierpimy od czasów szkolnych jednej podstawowej rzeczy: że są tam same szczegóły i żadnego systemu, który pozwalałby to ogarnąć mniej boleśnie, a nie tylko zakuć, zdać i zapomnieć. Oczywiście jest jakaś systematyka, ale bioróżnorodność „powala”. A co gdyby ktoś ujął istoty żywe tak, jak Mendelejew pierwiastki, w prosty do pojęcia graf czy tabelę?

W nauce nieraz bywa tak, że „Houston, mamy problem!” i Houston ów problem rozwiązuje. Tym razem genomicy z Baylor College of Medicine w Houston, jednej z najbardziej prestiżowych uczelni medycznych USA, oraz bioinformatycy Rice University z tego samego miasta nad Zatoką Meksykańską i ich holenderscy oraz australijscy koledzy pokazali, że niemal nieskończenie różnorodny świat istot żywych da się uporządkować na nowo.

System ten jest oparty o trójwymiarową analizę ich jądra komórkowego. Powinien tu się zmieścić każdy żywy organizm, poza bakteriami i tzw. archeonami, które nie mają jądra.

Jeśli uważamy, że brzmi to skomplikowanie, warto zauważyć, że gdy 150 lat temu Dymitr Mendelejew upublicznił w naukowym świecie swoją tablicę pierwiastków, mało kto się tym przejął i zrozumiał doniosłość wydarzenia. A dziś uczymy się w szkole jej najnowszej wersji, przerobionej z dość długiej listy na kartce w łatwy do ogarnięcia wzrokiem graf.

Zanim odkryto i zrozumiano strukturę jądra atomowego, tablica Mendelejewa była genialnym uogólnieniem zawieszonym w próżni. Podobnie teoria ewolucji Darwina, zanim odkryto strukturę DNA, jego replikację i zmienność, była zawieszona w próżni i trudna do pojęcia nawet dla biologów.

Czyżby udało się stworzyć wreszcie biologiczne uogólnienie? Czy w biologii pojawili się ludzie jeśli jeszcze nie pokroju Newtona czy Einsteina, to przynajmniej Mendelejewa, którzy zrobią porządek w „lesie rzeczy”, który przyprawia o ból głowy niemal każdego ucznia?

Taki cel (aczkolwiek sformułowany poważnie i naukowo) postawili przed sobą liczni uczeni z wielu krajów, zgromadzeni w konsorcjum „DNA Zoo”, wśród nich houstończycy.

Mamy wprawdzie „podstawowy dogmat biologii”, że informacja genetyczna zapisana jest w DNA, przepisywana na RNA i realizowana w białkach. Są od niego jednak wyjątki, zwłaszcza w świecie wirusów i zakaźnych białek – prionów (powodujących np. chorobę szalonych krów).

Jest też systematyka: im bardziej oparta o porównania sekwencji DNA genomów organizmów, tym bardziej będąca systemem „naturalnym” a nie umownym.

Zobacz także: Geny a życie społeczne, czyli o różnych pszczołach 

Genomy jednak są wielkie i skomplikowane, są w nich rzeczy, które rozprzestrzeniały się pomiędzy organizmami żywymi nie z dołu do góry (z rodziców na potomstwo) ale niejako „w poprzek” (tzw. horyzontalny transfer genów, np. za pomocą wirusów, powszechny w świecie bakterii, ale obserwowany również u organizmów wyposażonych w jądro komórkowe).

„Tablica Mendelejewa” dla istot żywych obejmuje właśnie świat tych ostatnich, a więc także i nas (aczkolwiek eksperymenty i obserwacje dotyczyły tylko wycinka bioróżnorodności tych organizmów, brakuje tu np. „naszego kuzyna pantofelka” i wszelkich jego jednokomórkowych bliższych i dalszych krewnych).

O co chodzi? Najpierw oddam głos autorom tej moim zdaniem bardzo ważnej publikacji naukowej, a potem rozłożę to na tak proste czynniki, jak zdołam. Autorzy pracy swoje wysiłki sprawozdane w najnowszym „Science”, a dokonane pod kierunkiem Erez Liebermana Aidena z Baylor i Benjamina D. Rowlanda z Netherlands Cancer Institute w Amsterdamie podsumowują tak:

„Zbadaliśmy strukturę genomu w eukariotycznym drzewie życia. W skali chromosomu znajdujemy dwa typy trójwymiarowych architektur genomu. Każdy typ pojawia się i znika wielokrotnie podczas ewolucji eukariotycznej. Typ architektury genomu, którą wykazuje konkretny organizm, koreluje z brakiem konkretnych podjednostek kondensyny II. Co więcej, eksperymentalna zmiana kondensyny II, przekształca architekturę ludzkiego genomu do stanu przypominającego ten obserwowany w organizmach takich, jak grzyby czy komary”.

Z tych badań wynika nowy system klasyfikacji zasadniczo wszystkich organizmów, których komórki są wyposażone w jądro komórkowe, w oparciu wyłącznie o trójwymiarowy „wygląd”, czyli tzw. architekturę chromosomów tego jądra. Choć poza momentami podziałów komórki, gdy DNA jest skondensowany w „chromosomy-motylki” znane nam z podręczników do biologii, chromatyna zdaje się wyglądać jak wielki supeł, to jest to tylko pozorny chaos.

Musimy tu z pewnością zrozumieć najpierw jedną rzecz: ewoluuje nie tylko sekwencja pojedynczych genów. Czyli jest sobie DNA jakiegoś genu, podczas jego powielania dochodzi do mutacji, powstaje zatem inny wariant tego genu, tzw. allel. Z czasem mutacji może się nagromadzić więcej, też na drodze, którą satyryk Szymon Majewski nazwałby „cięciem-gięciem” pomiędzy różnymi genami. Ostatecznie zatem może powstać jakiś nowy gen. I to jest ewolucja genu. Ale… ewoluować mogą całe genomy, jako zespoły chromosomów – a zatem najpierw owe chromosomy.

To są całości, złożone z DNA i białek, które je pakują, „zawijają”, aby wszystko było w porządku. Wyobraźmy sobie dwa metry nici splątane w miliony supłów albo w sposób absolutnie uporządkowany ponawijane na mikroszpuleczki tak, aby istniał na żądanie dostęp do wybranego kawałka nici.

Ta nić to nasz genomowy DNA. Tyle go jest w każdym jądrze komórkowym. Albo powstanie monstrualny supeł, albo specjalne białka zrobią z tym porządek. Supeł nie ma szans przetrwać ewolucyjnych meandrów, bo kto nie umie precyzyjnie regulować i powielać swego genomu, ginie.

Po drugie trzeba pojąć, że to się dzieje w trójwymiarowym świecie, choć to świat w skali mikro- i nano-. Badania wykazały, że dla struktury chromosomów w ewolucji tychże chromosomów jako całości – owych tysięcznych szpuleczek z precyzyjnie ponawijaną nicią DNA – bardzo istotne jest białko zwane kondensyną II.

Zobacz także: Pająk z głową psa. Te zdjęcia wzbudzają niepokój

Ono zapewnia chromosomom m.in. prawidłowy kontakt z białkowymi niteczkami ciągnącymi chromosomy potomne do dwóch biegunów komórki, gdy ta się dzieli, czyli znanym nam ze szkoły „wrzecionem podziałowym”. Zatem od owej struktury DNA zależy coś bardzo podstawowego dla życia – podział komórki na dwie potomne.

Białko kondensyny jest zbudowane z pięciu podjednostek i – jak sugerują autorzy pracy – to właśnie w nich tkwi, poza mutacjami w genomowym DNA, źródło obserwowanej na świecie bioróżnorodności. Liczy się nie tylko sekwencja DNA (cegły), ale i architektura chromosomu (projekt trójwymiarowej konstrukcji z tych cegieł powstałej).

Mechanizm ten jest bardzo stary, jakąś kondensynę musiała mieć już najbardziej nawet pierwotna komórka wyposażona w jądro, czyli eukariotyczna. Ich „zaczątki” mają także bakterie, które nie maja jeszcze przecież jądra komórkowego.

Logicznie zatem powinniśmy być w stanie zmienić architekturę jednego jądra w inną eksperymentalnie manipulując kondensyną II. Komórka ludzka nie stanie się wtedy np. komórką komara (bo jednak mamy inną sekwencję genomowego DNA, liczbę chromosomów etc.) ale będzie łudząco podobnie wyglądać.

Konsekwencje działania konkretnej kondensyny II dla struktury jądra komórkowego zatem zdają się przywodzić na myśl skutki budowy jądra atomowego w pierwiastkach, które tak zgrabnie i w dodatku proroczo ujął 150 lat temu w ryzy Dymitr Mendelejew. Tam bowiem można, bombardując pierwiastki neutronami, uzyskiwać inne pierwiastki, spełniając marzenie alchemików, by uzyskać złoto z ołowiu.


Periodyzacja tego systemu klasyfikacji wynika z tego, że konkretna architektura chromosomu pojawiała się w toku ewolucji wielokrotnie. Istnieją dwa podstawowe warianty „projektu na jądro komórkowe”.

U części gatunków chromosomy są zorganizowane jak strony w gazecie, gdzie na zewnątrz są marginesy, a przez środek przebiega łączące strony złożenie czy zszycie. U innych organizmów każdy chromosom jest „zwinięty w kulkę”, przy czym bardziej w pompon niż motek. I dlatego da się, mutując kondensynę II, zmienić jedno jądro w inne strukturalnie.

Autorzy badania wyjaśniają, że gdy spojrzeć na genomy, ewolucja wielokrotnie taki właśnie eksperyment zamiany kondensyny II podejmowała przez ostatnie 2 mld lat, czyli od czasu, gdy najprawdopodobniej pojawiła się na naszej planecie komórka wyposażona w jądro. Gdy spontanicznie pojawia się jakaś istotna mutacja w genie kodującym to arcyważne białko, zmienia im się całkowicie architektura jądra tej komórki, czyli tego organizmu. I możliwe się stają różne „skoki ewolucyjne”.

Co naukowcom w laboratoriach zajęło kilka lat, w tym rok pandemiczny szalenie utrudniający eksperymenty, to ewolucji zajęło miliony lat. Uczeni mieli też coś pomocnego, co sprawiało, że w przeciwieństwie do ewolucji nie działali na ślepo: stworzono program komputerowy zdolny obliczać efekt tego, jak wygląda białko kondensyny na to, jak wygląda łańcuch DNA tworzący konkretny chromosom.

Czy to możliwe, że „kręci tym wszystkim” jeden relatywnie prosty mechanizm, oparty o jedno bardzo stare ewolucyjnie białko? Badania przeprowadzono na 24 różnych gatunkach, wliczając zwierzęta kręgowe, bezkręgowe, grzyby i rośliny. Czy gdy zaczniemy badać kolejne organizmy, czy dadzą się one wstawić do „tabeli z Houston” niczym fluor, german i gal i do układu okresowego, gdzie już czekały przygotowane na nie przez Mendelejewa puste miejsca?

Sprawę podsumowuje prof. dr. hab. Paweł Golik z Instytutu Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.

„Rzecz jest ciekawa, choć jeszcze nie jest to uogólnienie tak wielkie, jakim okazała się tablica Mendelejewa. Mam nadzieję, że szansa na takie duże uogólnienia się pojawi w najbliższych dekadach. Od lat 50. do gdzieś 2010 r. praktycznie całą biologię molekularną robiło się na kilku, kilkunastu organizmach modelowych. Teraz, mając w ręku technologie (np. nowoczesne sekwencjonowanie czy modyfikowanie genomu CRISPR/Cas9) można robić biologię molekularną wszystkich organizmów żywych. I już są projekty sekwencjonowania dosłownie wszystkiego, a dzięki CRISPR można też robić genetykę na różnych »dziwnych« organizmach.

Do niedawna biologia molekularna wierzyła w powiedzenie Monoda, że co jest prawdą dla bakterii, jest też prawdą dla słonia. Teraz okazuje się, że jednak nie zawsze. I jak się nazbiera informacji z tej całej masy gałęzi drzewa życia, to może wtedy pojawi się jakiś nowy Mendelejew-Darwin, który to uporządkuje. Albo i nie – ewolucja jest procesem bezkierunkowym, więc raczej nie można się po jej efektach spodziewać ładnego porządku i regularności – to nie fizyka”.

Dr Anna Karnkowska z Instytutu Biologii Ewolucyjnej UW, specjalistka od jednokomórkowych, jakże różnorodnych stworzeń, zwanych protistami, (spośród których wszyscy znamy ze szkoły pantofelka, klejnotkę, zarodźca malarii czy świdrowiec gambijski wywołujący śpiączkę afrykańską) wtóruje prof. Golikowi.

„Choć próbujemy klasyfikować i porządkować otaczający nas świat, to te znienawidzone wyjątki od reguły ciągle nam na to nie pozwalają. Wyjątkami często nazywamy rozwiązania ewolucyjne, które nie występują u „organizmów modelowych”. Jednak wraz z rozwojem technik sekwencjonowania i technik biologii molekularnej wiemy coraz więcej o organizmach rozsianych po całym drzewie eukariota i często te wyjątki okazują się regułą w odległych od zwierząt czy roślin grupach organizmów.

Choć autorzy tej bardzo ciekawej publikacji sięgnęli po stosunkowo duży zbiór gatunków, to jednak reprezentują one tylko rośliny, zwierzęta i grzyby, podczas gdy większość różnorodności eukariotycznej kryje się w obrębie jednokomórkowych protistów. Czy zaproponowany prosty i elegancki system uporządkuje strukturę jądra komórkowego u wszystkich eukariota, czy znowu znajdą się jakieś wyjątki? Oto jest pytanie”.

Z pewnością warto to sprawdzić. Organizmy modelowe, czyli te, dzięki którym w szkole zapoznajemy się z bioróżnorodnością, a biologia molekularna najczęściej prowadzi swoje badania (a to pałeczka okrężnicy, a to dróżdż piekarski, a to muszka owocowa, a to niewielki chwast polny – rzodkiewnik, a to mysz itd.) bioróżnorodności wcale nie wyczerpują.

#biologia #naukowcy #nauka #badania