Genomania: droga donikąd

Piotr Kublicki

Genomania: droga donikąd

Ken Richardson, były wykładowca biologii rozwoju na brytyjskim Open University, w swoim artykule skonstatował, że cały koncepcyjny model genu zaczyna się zmieniać1. Może się to wydawać zaskakujące: od lat karmieni jesteśmy stwierdzeniami w rodzaju: geny „kontrolują”, „kierują”, za coś „są odpowiedzialne” czy też „są samolubne”, tak jakby owe geny miały mieć własne plany i intencje. Filozof nauki Susan Oyama w swojej książce The Ontogeny of Information [Ontogeneza informacji] ostrzegła: „podobnie jak tradycyjne myślenie ulokowało biologiczne formy w umyśle Boga, tak współczesne myślenie znajduje drogi, by nadawać genom ostateczną, twórczą moc”2.

Zgodnie z centralnym dogmatem biologii molekularnej: informacja kodowana jest w genach i wyraża się w białkach poprzez RNA, czyli przepływ informacji jest jednokierunkowy – od genów do białek:

matryca DNA → białka → cechy rozwojowe.

Gdy olbrzymimi nakładami rozwijano technologię sekwencjonowania genów, mówiono nam, że wówczas dowiemy się, „co to znaczy być człowiekiem”. Padały czcze obietnice, że niebawem poznamy geny kontrolujące inteligencję, zachowania socjalne oraz złożone choroby. Po kilkudziesięciu latach niewiele z tego entuzjazmu zostało. Stwierdzono jedynie bardzo słabe korelacje pomiędzy różnicami w nukleotydach a obserwowanymi cechami poszczególnych ludzi.

Kumulujące się naukowe odkrycia wskazują na zupełnie inną perspektywę. Richardson podkreślił że geny służą wyłącznie jako matryca do budowy białek. Nie ma możliwości, by kierowały one bardziej złożonymi procesami budowy żywej istoty, podobnie jak klawiatura na komputerze sama z siebie nie napisze żadnej powieści.

To może wydawać się dziwne osobom zindoktrynowanym, którym wpojono, że rozwój organizmu sterowany jest zbiorem genetycznych instrukcji: jeśli nie DNA, to co? Jednak już od lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku naukowcy zaczęli sobie zdawać sprawę z tego, że jest inaczej.

Najpierw w efekcie badań nad powstaniem życia padła sugestia, że genetyczna informacja była prawdopodobnie wtórna wobec istniejących wcześniej struktur. Później zaczęto dostrzegać, że od naszych rodziców dziedziczymy nie tylko geny, ale całe systemy dynamiczne: komórka jajowa i plemnik zawierają całą plejadę czynników, jak enzymy i inne białka, aminokwasy, witaminy, minerały i tłuszcze, RNA (inny rodzaj kwasów nukleinowych), setki komórkowych sieci sygnalizacyjnych i szereg innych produktów genów rodziców – innych niż same geny.

Kolejnym odkryciem było zjawisko alternatywnego splicingu, gdzie produkt genu – zanim osiągnie końcową użytkową postać – ulega znaczącym modyfikacjom. Znaczy to, że białka o różnych sekwencjach aminokwasów i bardzo różnych funkcjach mogą być produkowane z dokładnie tego samego genu, a nie jeden z jednego, jak głosi centralny dogmat biologii molekularnej. Równie zaskakujące było odkrycie, że mniej niż 1–5% genomu używane jest do produkcji białek. Większa jego część, wykorzystując złożone sieci sygnalizacyjne, odpowiada za szereg funkcji regulujących.

Wydaje się, że te systemy regulatorowe mogą nadawać różne znaczenia identycznym odcinkom DNA. Przykładowo identyczny fragment DNA w postaci kodonu ATG (adenina, tymina, guanina) w genie „kodującym” będzie reprezentował aminokwas metioninę, natomiast w genie regulatorowym będzie miał inne „znaczenie”. Okazuje się więc, że fizycznie identyczny odcinek DNA może być interpretowany zupełnie odmiennie. Wynika z tego, że system, który faktycznie nadaje znaczenie fizyczne tym samym fragmentom DNA, znajduje się gdzie indziej. Jest to analogiczne do naszej technologii cyfrowej. Ten sam ciąg zer i jedynek może nieść różne znaczenia w zależności od systemu interpretacyjnego. Dla przykładu: binarna sekwencja 01000001 może reprezentować literę „A” w kodzie ASCII. Ale może to też znaczyć liczbę 65. Sama fizyczna natura impulsów nie determinuje ich znaczenia, ono jest dopiero nadawane przez odpowiednie oprogramowanie.

Nie znaleziono także korelacji pomiędzy złożonością danego organizmu a liczbą genów. Jeśli geny rzeczywiście byłyby czymś w rodzaju instrukcji sterujących rozwojem organizmu, to można się spodziewać, że bardziej złożone organizmy powinny mieć bardziej złożone instrukcje, podobnie jak prom kosmiczny posiada w swoich elektronicznych komponentach więcej kodu maszynowego niż pralka. Jednak nic z tego: człowiek ma jedynie niewiele więcej genów niż muszka owocowa i znacznie mniej niż marchewka.

Jeszcze ciekawiej – bez wątpienia istnieje wzorzec genetycznych podobieństw pomiędzy anatomicznie bardziej podobnymi organizmami. Problem w tym, że od tej reguły istnieje szybko powiększająca się lista wyjątków, z bardzo poważnymi różnicami tam, gdzie się ich nie spodziewano. Nawet różne odmiany w obrębie tych samych gatunków posiadają liczne zestawy genów unikatowych tylko dla danego wariantu. Na przykład każda z różnych odmian bakterii Escherichia coli ma setki własnych, wyjątkowych dla tej odmiany genów. I wiele z nich posiada istotne kodujące funkcje3.

Z kolei w 2004 roku zespół biologów z New York University porównał geny milimetrowego nicienia Caenorhabditis elegans który jest modelowym organizmem do laboratoryjnych badań genetycznych ‒ z genami przedstawicieli siedmiu innych gatunków z tego samego rodzaju i czterech gatunków taksonomicznie odleglejszych. Wyniki zaskoczyły badaczy, gdyż okazało się, że genetyczne zróżnicowanie pomiędzy morfologicznie prawie identycznymi zwierzętami jest większe niż w całym podtypie kręgowców. Jak stwierdzili autorzy: „Pomimo braku znaczącego morfologicznego zróżnicowania, większe genetyczne różnice występują w tym jednym rodzaju niż pomiędzy wszystkimi kręgowcami”4. Innymi słowy, prawie identyczne nicienie pod względem genetycznym różnią się od siebie bardziej niż kręgowce (na przykład flaming, rekin, nietoperz, hipopotam, koliber i człowiek) pomiędzy sobą.

Co więcej: te same geny odpowiadające za rozwój gruczołów płciowych u muszek owocowych są u ludzi zaangażowane w proces rozwoju mózgu. Genetyka rozwojowa odkryła, że geny, które wydają się najważniejsze w rozwoju zarodkowym, są zdumiewająco podobne u organizmów z bardzo odmiennych grup i typów. Początkowo fakt ten uważano za doskonałe świadectwo na to, że genetyczny program kontroluje rozwój zarodkowy. Teraz jednak biologowie uświadamiają sobie, że stwarza to dziwny paradoks: w końcu jak to jest, że organizmy z takimi samymi genami stają się tak różne? – spytała Elizabeth Pennisi w „Nature”5. Dobre pytanie: jeśli geny kontrolują rozwój, dlaczego tak podobne geny wytwarzają tak odmienne organizmy? Dlaczego larwa przekształca się w motyla, a nie w barakudę?

Jeśli geny miałyby być czymś w rodzaju instrukcji, nie miałoby to oczywiście żadnego sensu: instrukcje stworzone do kierowania robotem przemysłowym są zupełnie różne od instrukcji opracowanych dla programu graficznego. Czynnik, który rzeczywiście kontroluje rozwój różnych narządów muszek owocowych i ludzi, posługując się do tego tymi samymi genami, musi znajdować się gdzieś indziej.

Jeśli program sterujący rozwojem organizmu nie mieści się jednak w DNA, to gdzie? Zdaniem Richardsona za taki program rozwojowy odpowiadają dynamiczne interakcje pomiędzy wszystkimi komórkowymi i pozakomórkowymi komponentami rozwijającej się istoty – to coś w rodzaju orkiestry bez dyrygenta. W literaturze przedmiotu pojawia się coraz więcej określeń w rodzaju „metabolicznej pamięci”, „komórkowej inteligencji” czy „komórkowej wiedzy”. „Czy komórki myślą?” – takie pytanie postawiono w tytule artykułu z 2007 roku opublikowanego w „Cellular and Molecular Life Sciences”6. Kontrastuje to coraz ostrzej z faktem, że program rozwojowy organizmu zakodowany rzekomo w DNA nigdy nie został odnaleziony i opisany.

Brytyjski biolog Denis Noble stwierdził, że współczesna synteza ma błędne ujęcie przyczynowości w biologii: DNA samo z siebie nie robi absolutnie niczego aż do momentu, gdy jest aktywowane przez resztę systemu. Noble uważa, że do DNA bardziej pasuje definicja, że stanowi on bierną bazę danych używaną przez organizm do produkcji potrzebnych mu białek7.

Richardson uważa, że dobitny wniosek z tych rozważań jest następujący: gen w rozumieniu przyjmowanym w większości podręczników nie istnieje. Naukowiec zacytował konkluzje z artykułu z 2017 roku, opublikowanego w czasopiśmie „Genetics”, w którym autorzy zakwestionowali wizje genu jako autonomicznej jednostki dziedziczenia. Stwierdzili oni, że klasyczna molekularna definicja genu jest przestarzała8.

Jak odnosi się to do teorii inteligentnego projektu i biologicznej ewolucji? Teoria inteligentnego projektu wskazuje, że najlepszym wyjaśnieniem dla niektórych cech i struktur natury jest rozumne działanie. Kod genetyczny – symboliczny zapis informacji na podwójnej helisie DNA – jest tego przykładem. Omawiane fakty świadczą o tym, że oprócz DNA istnieje szereg wyższych poziomów przetwarzania informacji, nadrzędnych wobec DNA, gdzie DNA jest tylko jednym z wielu aktywnych elementów całej sieci oddziaływań. Wzmacnia to zatem wnioskowanie o projekcie.

Jeśli zaś chodzi o ewolucjonizm, to dyskutowane odkrycia komplikują kwestię makroewolucji. Bazuje ona na założeniu, że kumulowanie się niewielkich zmian genetycznych – wpływających na modyfikacje fenotypowe – odpowiada za zróżnicowanie się życia na Ziemi. Fakt, że oprócz genotypu istnieją dodatkowe poziomy biologicznej informacji, mocno komplikuje ten obraz: otóż same mutacje w genach musiałyby być tylko jednym z czynników odpowiedzialnych za ewolucję. Mutacje w materiale genetycznym musiałyby być skorelowane z systemowymi modyfikacjami na wyższych poziomach biologicznej organizacji. Dopiero wtedy miałyby szanse powstawać nowe architektoniczne projekty organizmów czy budowy ciała.

Z kilkudziesięcioletnich doświadczeń nad muszkami owocowymi wynika, że mutacje w genach są w większości szkodliwe lub neutralne. Nawet jednak korzystne mutacje na poziomie genotypu – jeśli takowe by zaszły – musiałyby być skorelowane z całym aktywnym systemem przetwarzania nici DNA, by miały one jakiś pozytywny fenotypowy efekt. Czyli do jednego nieprawdopodobieństwa dodaje się kolejne.

 

Piotr Kublicki

 

Źródło zdjęcia: kjpargeter / Freepik

Ostatnia aktualizacja strony: 26.03.2020

Przypisy

  1. K. Richardson, It’s the End of the Gene As We Know It, „Nautilus” 2019, January 3 [dostęp 26 III 2020].
  2. S. Oyama , The Ontogeny of Information: Developmental Systems and Evolution, 2nd ed., Duke University Press 2000, s. 31.
  3. V. Daubin, H. Ochman, Bacterial Genomes as New Gene Homes: The Genealogy of ORFans in E. coli, „Genome Research” 2004, Vol. 14, s. 1036–1042.
  4. Kiontke et al., Caenorhabditis Phylogeny Predicts Convergence of Hermaphroditism and Extensive Intron Loss, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” 2004, Vol. 101, No. 24, s. 9003 [9003–9008].
  5. E. Pennisi, Evo-Devo Enthusiasts Get Down to Details, „Science” 2002, Vol. 298, s. 953 [953–955].
  6. S. Ramanathan, J.R. Broach, Do Cells Think?, „Cellular and Molecular Life Sciences” 2007, Vol. 64, s. 1801–1804.
  7. D. Noble, Geny a przyczynowość, tłum. A. Trybus, „Filozoficzne Aspekty Genezy” 2011, t. 8, s. 191–217 [dostęp 26 III 2020].
  8. P. Portin, A. Wilkins, The Evolving Definition of the Term „Gene”, „Genetics” 2017, Vol. 205, No. 4, s. 1353 [1353–1364].

Literatura:

  1. Daubin V., Ochman H., Bacterial Genomes as New Gene Homes: The Genealogy of ORFans in coli, „Genome Research” 2004, Vol. 14, s. 1036–1042.
  2. Kiontke K. et al., Caenorhabditis Phylogeny Predicts Convergence of Hermaphroditism and Extensive Intron Loss, „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” 2004, Vol. 101, No. 24, s. 9003–9008.
  3. Noble D.,Geny a przyczynowość, tłum. A. Trybus, „Filozoficzne Aspekty Genezy” 2011, t. 8, s. 191–217 [dostęp 26 III 2020].
  4. Oyama S., The Ontogeny of Information: Developmental Systems and Evolution, 2nd ed., Duke University Press 2000.
  5. Pennisi E., Evo-Devo Enthusiasts Get Down to Details, „Science” 2002, Vol. 298, s. 953–955.
  6. Portin P., Wilkins A., The Evolving Definition of the Term Gene”, „Genetics” 2017, Vol. 205, No. 4, s. 1353–1364.
  7. Ramanathan S., Broach J.R., Do Cells Think?, „Cellular and Molecular Life Sciences” 2007, Vol. 64, s. 1801–1804.
  8. Richardson K., It’s the End of the Gene As We Know It, „Nautilus” 2019, January 3 [dostęp 26 III 2020].

Dodaj komentarz