Jeżeli już dziś założymy, że możemy się mylić, to plony tego założenia zbierzemy w nie tak całkiem odległej przyszłości w postaci nowych, nieznanych nam obecnie kierunków badań.
Dzisiejszy miniwykład poświęcam wyjaśnieniu pojęcia „mutacja” w kontekście biologicznym i przedstawiam, jak koncepcja mutacji stała się siłą napędową współczesnego rozumienia ewolucji. W czasach, kiedy Karol Darwin w książce O powstawaniu gatunków wyłożył podwaliny teorii ewolucji, DNA jako materiał dziedziczny nie był znany. (Darwin miał na ten temat mętne przekonania oparte na koncepcji gemmuli). DNA poznano jako źródło dziedziczenia i samoreplikacji prawie sto lat po wydaniu książki Darwina.
W I połowie XX wieku obserwacje i badania doświadczalne nad DNA uzupełniały naszą wiedzę na temat dziedziczenia cech fenotypowych kolejnych pokoleń organizmów. Z dnia na dzień stawało się jasne, że to DNA jest spiritus movens nie tylko dziedziczenia, ale i ewolucji. Wydawało się, że wystarczy poznać, jak wszystkie detale tego mechanizmu działają, i teoria ewolucji będzie dopięta. Początkowo zaczęto doszukiwać się procesu ewolucji w zmianach sekwencji nukleotydowej DNA.
Zanim napiszę więcej na temat mutacji, chcę zapoznać Czytelnika z tym, w jaki sposób kształtowała się nasza wiedza o genetyce. Badania nad zmianami genetycznymi i dziedzicznością chromosomalną zostały zapoczątkowane już w 1910 roku przez Thomasa Hunta Morgana, którego obiektem prac doświadczalnych była muszka owocowa – Drosophila melanogaster. W tamtych czasach materiałem dziedzicznym określano chromosomy olbrzymie, które można było zaobserwować pod mikroskopem w śliniankach muszki owocowej.
Dopiero późniejsze badania umożliwiły lepsze zrozumienie hipotezy kodu genetycznego w oparciu o tak zwany triplet, gdzie trzy z czterech nukleotydów w DNA – adenina (A), tymina (T) cytozyna (C) i guanina (G) – determinowały określony aminokwas w białku (np. ATG koduje aminokwas metioninę). Szybko okazało się, że jakakolwiek zmiana w sekwencji nukleotydów powodowała zmiany sekwencji aminokwasów, a to konsekwentnie doprowadzało do zmiany funkcjonalnej białka. Białko albo w dalszym ciągu było enzymatycznie aktywne (mutacja neutralna), albo następowała nieaktywność białka, co groziło poważnym kalectwem lub śmiercią człowieka obciążonego wadą genetyczną. Przykładem może być choroba fenyloketonuria, czyli brak enzymu hydroksylazy fenyloalaninowej, która jest niezbędna w metabolizmie fenyloalaniny.
Badania te pozwoliły na gruntowne zrozumienie roli DNA, ale też prowadziły do wniosku, że zmiany w DNA, czyli mutacje, powodują zmiany fenotypowe, co w konsekwencji może, ale nie musi, być siłą napędową ewolucji. Zachwyt mutacjami uniemożliwiał odpowiedź na pytanie – jakie to mają być mutacje, aby potrafiły zmienić jedne gatunki w inne, czy idąc dalej: ryby w płazy, płazy w gady, a następnie by nastąpiła ewolucja ptaków i ssaków.
Żeby to lepiej zrozumieć, przyjrzyjmy się samym mutacjom. Mutacje mogą być naturalne, czyli samoistne (zachodzą bez rozpoznanych przyczyn środowiska organizmu i występują z niską częstotliwością, tzw. mutacje przypadkowe) oraz indukowane (mutageneza, która w większym lub mniejszym stopniu niszczy lub modyfikuje oryginalną strukturę DNA). Czynnikami fizycznymi, które inicjują mutacje indukowane, są ultrafiolet i promienie rentgena. Czynnikami chemicznymi są na przykład gaz musztardowy, azydek sodu oraz inne czynniki modyfikujące DNA. Wszystkie te mutageny mają silne działanie kancerogenne i należy ich unikać.
Mutacje dzielimy na cztery rodzaje: substytucje, insercje, delecje i inwersje. Te ostatnie zachodzą w chromosomach. Poszczególne rodzaje mutacji są przedstawione w tabeli 1. W zależności od tego, w którym miejscu DNA mutacje wystąpią, mogą doprowadzić do zmiany ramki odczytu kodu genetycznego białka, a to spowoduje zastąpienie jednej sekwencji aminokwasów drugą, co doprowadzi do powstania innego białka.
Odkrywanie biologicznej prawdy w badaniach eksperymentalnych nie zawsze jest jednak proste. Rozwój biologii molekularnej i technologii (np. zaangażowanie do badań nowoczesnych komputerów) doprowadził pod koniec XX wieku do wyłonienia się nieco innego, bardziej zrozumiałego, ale też bardziej skomplikowanego obrazu naszej wiedzy biologicznej. Okazało się, że samo DNA nie wyjaśnia wszystkiego, ale trzeba także wziąć pod uwagę całą skomplikowaną interakcję między DNA a komórką, jej białkami, różnymi rodzajami RNA, lipidami, cukrami, specjalistycznymi enzymami i kompleksami enzymów determinującymi jej replikację. Krótko mówiąc DNA jest integralną częścią komórki.
Aby lepiej zrozumieć, jak funkcjonuje DNA w komórce, a raczej jak komórka weryfikuje jej replikację, odniosę się do fragmentów książki Jamesa A. Shapiro zatytułowanej Evolution: A View from the 21st Century [Ewolucja. Koncepcja XXI wieku]. Mam nadzieję, że wkrótce dzięki Fundacji En Arche książka ta zostanie przetłumaczona na język polski. Bardzo gorąco zachęcam Państwa do jej przeczytania. Pomoże to lepiej zrozumieć zagadnienie – czy „przypadkowa mutacja” DNA występuje z taką częstotliwością, że może zmienić fenotyp komórki i konsekwentnie organizmu i populacji.
Skrupulatne badania interakcji między komórką bakteryjną a DNA pokazały cały arsenał współpracy między replikacją DNA a komórką bakteryjną. Polimeraza DNA (białko bakterii) jest głównym enzymem odpowiedzialnym za przyłączanie nukleotydów do nowej nici DNA. Enzym jest funkcjonalnie do tego stopnia przysposobiony, że tylko raz na 100 tysięcy nukleotydów „przegapi” wstawienie niewłaściwego nukleotydu.
W dalszym procesie korekcji błędów „popełnianych” przez polimerazę biorą udział jeszcze trzy dodatkowe enzymy – MutS (mutator), który „wyłapuje” niewłaściwie wpasowany nukleotyd. Drugi enzym to MutL, który „rozpoznaje” miejsce w cząsteczce, gdzie jest błędnie podstawiony nukleotyd. Do powstałego kompleksu trzech białek (polimeraza i MutS i MutL) przyłącza się kolejne białko MutH, które jeszcze raz niezależnie „porównuje” replikowaną nić z nicią matrycową DNA, usuwa błędny nukleotyd i wstawia właściwy. Cały mechanizm replikacyjny bakterii E. coli kopiuje DNA z zawrotną precyzją, i z wielką częstotliwością – tylko jeden błąd na miliard (109) nukleotydów wbudowanych do nici replikacyjnej!
Bakterie wykorzystują daleko bardziej zaawansowane i wydajne biologiczne technologie niż ludzie w najbardziej złożonym procesie kontroli jakości. Jeżeli mechanizmy replikacji DNA wykorzystywane przez bakterie są na tak wysokim poziomie zaawansowania, to można sobie wyobrazić, że komórki organizmów wyższych (komórki eukariotyczne) są jeszcze bardziej oporne na mutacje.
Pomimo to – jak zwraca uwagę James Shapiro – wielu ewolucjonistów nadal twierdzi, że mutacje są główną siłą napędową ewolucji. Chcąc wykazać wiarygodność swoich twierdzeń wywołują sztucznie indukowane mutacje w DNA. Ujmując rzecz prozaicznie, to walimy młotkiem w DNA komórki i obserwujemy, jaki będzie to miało wpływ na proces ewolucji.
Nie wszyscy naukowcy są aż tak bardzo zakochani w sztucznych mutacjach i oprócz skutków indukowanej mutagenezy badają spontaniczne mutacje DNA u bakterii. Doktor Richard Lenski, naukowiec z Uniwersytetu Michigan State, w 1988 roku rozpoczął badania, aby sprawdzić, czy spontaniczne mutacje DNA mogą przyczynić się do „korzystnych” w sensie ewolucyjnym zmian bakterii.
Bakterie w sprzyjających warunkach życiowych dzielą się z prędkością co 15–20 minut, a więc model doświadczalny jest bardzo praktyczny. Badania doktora Lenskiego polegały na tym, że każdego dnia z inkubowanych bakterii E. coli pobierano próbkę tych komórek i przenoszono je do nowej pożywki, w ten sposób utrzymując logarytmiczny przyrost bakterii. Co jakiś czas zamrażano nową generację komórek, aby później przeprowadzić analizę DNA i określić jej zmiany.
W 2013 roku, po 25 latach eksperymentu, autorzy opisali wyniki badań. Z namnożonej liczby bakterii sięgającej kilka trylionów (1018) otrzymano 58 tysięcy generacji bakterii (dzisiaj już będzie około 76 tysięcy generacji, bo eksperyment trwa nieprzerwanie). Większość mutacji, która powstała w wyniku uszkodzenia, degradacji czy minimalnej poprawy ekspresji genów już istniejących, nie pozwoliła na udokumentowanie procesu ewolucji rozumianej jako dobór naturalny.
Trudno jest szukać jakiejś analogii między bakteriami a człowiekiem. Taki okres, w jakim badano tempo mutacji u bakterii, przełożyłby się prawie na 2 miliony lat życia człowieka, bo generacja u ludzi trwa średnio 25 lat. Jakie zmiany ewolucyjne mogłyby w tym okresie czasu zajść u człowieka; warto o to zapytać ewolucyjnych antropologów.
W 1670 roku Antoni Van Leeuwenhoek po raz pierwszy zaobserwował mikroby i został nazwany ojcem mikrobiologii. Od tamtego czasu upłynęło ponad 350 lat, a jednak nawet w tak długim czasie nie zaobserwowano zmian gatunkowych u bakterii. Różnice gatunkowe między Staphylococcus aureus a Streptococcus pneumoniae są tak duże, że każdy mikrobiolog z łatwością je zaobserwuje
Debaty nad mutacją w procesie ewolucji wydają się nie mieć końca. Moim zdaniem jest to konsekwencją tego, że nadal nie wiemy tyle, ile nam się wydaje, że wiemy. Potrzebny jest model lepszego mechanizmu ewolucji, który będzie się opierał na rzetelnych odkryciach biologii, a nie na naszych antropomorficznych „chciejstwach”.
Fairhope, AL; 15 lipca 2021
Andrzej Myc
Źródło zdjęcia: Shutterstock
Ostatnia aktualizacja strony: 16.09.2021