„Został pan przyjęty na geometrę, jak pan mówi, ale niestety, my nie potrzebujemy geometry. Granice naszych małych gospodarstw są wytyczone i wszystko porządnie naniesione na plan. Przewłaszczeń prawie nie ma, a drobne spory graniczne regulujemy sami. Do czegóż więc mógłby przydać się nam geometra?” – Franz Kafka, „Zamek”
Kiedy obracam w głowie świat żywy, lubię wyobrażać go sobie jako uporządkowany wedle rozmiaru ciąg organizmów i cząsteczek. Jest to sztuczny podział, ale pomaga mi rozumem ogarnąć nieogarnialne. Patrzę na Voyagerowskie zdjęcie „Pale Blue Dot” i widzę wszystko, co możemy aktualnie nazwać żywym. Bliżej, z wysokości satelitarnej, dostrzegam kipiące biologią oceany i zieleń parnej fotosyntezy. Umyka mi tylko kilkoro Homo sapiens i gatunki modelowe na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej oraz domniemane mikroorganizmy na kadłubach łazików marsjańskich. Przyglądam się dokładniej. Widzę lasy, rzeki i jeziora – ekosystemy większe niż europejskie kraje. Byty, których rozmiar opisuję w metrach i centymetrach. Tutaj umiejscawiam człowieka. Sięgam po lupę i mikroskop wyobraźni, moim oczom ukazuje się pole mikroorganizmatycznej wrzawy, w której aktorów liczymy w trylionach, a współzależności tych społeczności nie sposób opisać. Do wglądu w najmniejsze byty nie mogę wykorzystać właściwości światła widzialnego – są zbyt małe, by wchodzić z nim w łatwe do detekcji interakcje. Sięgam po narzędzia molekularne i widzę wirusy wijące się w genetycznym miszmaszu, a gdy jestem tak głęboko, umyka mi podział na żywe i nieżywe, organizm i cząstkę. Jestem w świecie samoreplikujących się informacji genetycznych, dla których forma to tylko narzędzie, wehikuł wykorzystywany do namnażania i przenoszenia się z planety na planetę, z gospodarza na gospodarza, z komórki do komórki. W tym świecie bytują – bo przecież nie powiem z czystym sumieniem, że żyją – cząsteczki, których geniusz, wola trwania, ale i ulotność podbiły moje serce na początku studiów. Zafascynowała mnie biologia, zwłaszcza ta malutka, w którą najpierw trzeba uwierzyć, zanim będzie można ją podglądać. W bakterie na skórze i w jelitach już od dawna wierzyłem – widziałem je. Jednak, gdy uwierzyłem w istnienie tego jeszcze-mniejszego-świata, przez kilka dni czułem się jak inkubator kosmicznych obcych. Obcych, którzy bytują bliżej niż „we mnie”, którzy żyją w mojej esencji. Najbliżej tego, co z biologicznego punktu widzenia jest wyznacznikiem Ja. Śpią, czekają w moim DNA, namnażają się w nim, opuszczają je i znów wklejają się do ATGC – czterech liter kodujących moje istnienie.
Do podglądania tego molekularnego świata niezbędne są narzędzia, o które ciężko w statystycznym domu. Ich wykorzystanie wymaga treningu manualnego, kilku tomów wiedzy teoretycznej i lat doświadczenia w interpretowaniu danych. Nie każdy ma dostęp do laboratorium, ale możliwe jest zagłębienie się w ten świat i oglądanie go od wewnątrz. Metafory, przenośnie i porównania to narzędzia stare jak opowieść, a jednak wydają się wystarczające do zmienienia punktu widzenia z ludzkiego na molekularny. Spróbuję nie uronić ani kropli.
Plejada z identycznego zestawu
Lato 1944, laboratorium Cold Spring Harbor, Nowy Jork. Barbara McClintock rozpoczyna badania nad mozaikowatością ziaren kukurydzy. Dzikie odmiany Zea mays często odznaczają się różnorodnością kolorów ziaren wyrastających z jednej kolby. Od czarnych, przez fioletowe, ciemnoniebieskie, zielone, ku czerwoności, aż po żółte i białe. Takie ubarwienie wynika z różnicy stężeń barwników wewnątrz tkanki magazynującej ziarenka i jest skutkiem różnicy w aktywności genów kodujących enzymy zaangażowane w syntezę barwnika. McClintock interesuje się mechanizmem powstawania wzorów barw oraz prawami rządzącymi ich dziedziczeniem. Już wtedy uznawana była za liczącą się w środowisku badaczkę, czego dobitnym dowodem była jej elekcja jako trzeciej w historii kobiety do Narodowej Akademii Nauk.
Barbara McClintock w swoim laboratorium w Cold Spring Harbor (1947) / fot. domena publiczna
W 1944 roku świat naukowy nie zna jeszcze budowy DNA. Dopiero w 1953 Watson i Crick opiszą podwójną helisę, opierając się na wynikach badań Rosalind Franklin, przekazanych im bez jej zgody. Jednak nawet wtedy dysponowano wiedzą na temat ulokowania genów na chromosomach. Genetycy nazywają takie miejsca loci. McClintock opisuje dwa loci wchodzące ze sobą w interakcje. Jedno z nich zdolne jest do wywierania wpływu na sąsiadujące geny. Może je włączać i wyłączać. Jednak do swego działania wymaga aktywacji przez inne locus. Na początku roku 1948 badaczka odkrywa, że oba elementy potrafią przemieszczać się z miejsca na miejsce, „skacząc” po nici DNA, którą możemy wyobrazić sobie jako sznurek, na który nanizane są koraliki odpowiadające poszczególnym genom. Jeśli któryś z elementów wykona skok, czyli wytnie się z nici DNA i wklei w inne miejsce, a miejscem tym będzie inny gen, to zostanie on wyciszony. Gdy znów wykona skok i wytnie się z wyłączonego genu, to gen ten znów stanie się aktywny. Od tego momentu badaczka zaczyna traktować nowo odkryte koraliki nie jako geny, a elementy kontrolujące aktywność genów.
Przy użyciu nowatorskich metod mikroskopowych oraz czasochłonnych krzyżówek genetycznych McClintock udaje się zaobserwować oraz opisać mechanizm „skoków” i wyjaśnić dzięki niemu mozaikowatość ziarenek.
Kolorowa kukurydza / fot. Markus Winkler, UnsplashMcClintock tworzy teorię, zgodnie z którą wędrujące elementy regulują działanie genów, włączając je i wyłączając. Dla badaczki była to potencjalna odpowiedź na pytanie nurtujące naukowców od dekad: jakim cudem złożone organizmy zdolne są do wygenerowania plejady rodzajów komórek i tkanek, chociaż każda z nich ma identyczny zestaw genów? Dotychczasowe modele próbujące wyjaśnić skomplikowany proces rozwoju i specjalizacji tkanek szukały odpowiedzi w mutacjach, czyli trwałych zmianach informacji genetycznej. Genom był postrzegany jako statyczny zestaw informacji, przekazywany w niezmienionej formie komórkom potomnym, z którego odczytywane są instrukcje działania każdej z komórek. Jej teoria podważyła taki sposób postrzegania, zwracając uwagę badaczy i badaczek na sposób odczytywania samej informacji oraz na mechanizmy mające za zadanie regulację aktywności genów w zależności od tkanki, w której dana komórka występowała. Z badań McClintock wyłaniał się skrupulatnie kontrolowany i zarazem plastyczny proces, dzięki któremu możliwe stało się powstanie organizmów wielokomórkowych. Każda komórka takiego organizmu zawiera w sobie prawie identyczną informację genetyczną, ale to, jak jest ona interpretowana, odróżnia od siebie komórki różnych narządów i tkanek.
Koncepcja wędrujących elementów oznaczała rewolucję nie tylko w genetyce, ale i całej biologii. Genom nie jest tylko matrycą, z której odczytywana jest informacja. Jest zmiennym zestawem oddziaływujących ze sobą elementów, które potrafią migrować i kontrolować się wzajemnie. Efektem tego jest twór znacznie bardziej skomplikowany i nieprzewidywalny, niż chciano przypuszczać.
Badania McClintock nie wywołały entuzjazmu. Jej publikacje postrzegano jako skomplikowane, podchodzono do nich sceptycznie, ich innowacyjność utrudniała włączenie do ówcześnie istniejących modeli biologicznych. Niezniechęcona chłodnym przyjęciem McClintock kontynuowała swoje badania i upowszechniała ich wyniki w ramach objazdowych wykładów. Kolejne odkrycia spotykały się z kolejnymi wątpliwościami. Uznanej badaczce zarzucano nierozumienie własnych wyników – zwłaszcza stojącej za nimi matematyki. Nie chcąc ryzykować wykluczenia z naukowego mainstreamu, zaprzestała publikowania artykułów na temat elementów kontrolujących i skupiła się na badaniu autochtonicznych gatunków kukurydzy w Ameryce Południowej i Centralnej.
Kopiuj – wklej
W latach 60. francuscy genetycy François Jacob i Jacques Monod opisali mechanizm genetycznej regulacji operonu laktozowego. Jest to przełącznik molekularny, który aktywuje geny odpowiedzialne za metabolizm laktozy tylko wtedy, gdy laktoza jest obecna w środowisku. Taka regulacja pozwala komórce na oszczędność energii i środków produkcji. Wyraźnie widoczne jest podobieństwo do aparatu regulacyjnego zaproponowanego przez McClintock, która krótko po publikacji francuskich wyników przypomniała o swoich odkryciach. Chociaż badacze kierują swoją uwagę na ewenement podróżniczej natury niektórych genów, to nadal nie chcą wiązać jej z funkcją regulatorową, którą proponuje McClintock.
Wraz z rozwojem badań nad skaczącymi genami pojawiła się potrzeba ich klasyfikacji. Taka tendencja do szufladkowania, jakkolwiek bywa niebezpieczna, zdaje się też nieuniknionym skutkiem poszerzania wiedzy. Aktualnie znamy dwa typy skoczków, które różnią się mechanizmem działania.
Jeden z nich działa na zasadzie losowego „kopiuj – wklej” fragmentów DNA w genomie. Gdy moje myśli wędrują ku takim tworom, często przechodzą mnie ciarki. Jak to możliwe, że w każdej z miliardów moich komórek znajdują się tysiące koralików zdolnych do skopiowania siebie samych i emigracji w losowy punkt mojej esencji? To wszystko wije się, drga ruchami Browna i skacze z niewyobrażalną częstotliwością, a ja przecież ciągle pozostaję w jednym kawałku i wcale nie zauważam zmian zachodzących wewnątrz i pod moją skórą. Jeśli ktoś pyta mnie, kim jestem, to na myśl nasuwają mi się banalne odpowiedzi dotyczące mojej przeszłości, edukacji i przygód, a przecież jestem zlepkiem samoklonujących się worków pełnych białek, tłuszczów i wody, które jakimś sposobem potrafią uformować się w mechanizm zdolny do przewidzenia trajektorii lotu lecącego przedmiotu i pokierowania sobą samym tak, bym go złapał, przykładając do całego wydarzenia minimum uwagi. Złapanie rzuconej do mnie piłki wymaga zaangażowania miliardów neuronów, zorganizowanych w biliony połączeń między nimi, które sterują kilogramami tkanki mięśniowej zawieszonej na spętanym ścięgnami rusztowaniu szkieletu. Robię to bez żadnego wysiłku, wiedząc jednocześnie, że każda z tych komórek powstała z jednej komórki potomnej, a informacja genetyczna każdej z nich jest prawie identyczna.
Gdybyśmy mieli symulować w czasie rzeczywistym wydarzenia molekularne zachodzące w naszych organizmach, nie starczyłoby mocy obliczeniowej wszystkich komputerów świata, a jednak to życie wydarza się w każdej nanosekundzie, w każdym mililitrze ciała. Przepełnia mnie wdzięczność za bycie tak niezawodnym i dopracowanym organizmem. Pojawia się jednak pytanie: czy Ja to rzeczywiście tylko Ja? Może w skali molekularnej nie jestem wcale stuprocentowym człowiekiem?
Wytnij – wklej
Istnieje też drugi rodzaj skaczących genów, działających na zasadzie „wytnij – wklej”. Sekwencja wycinana jest ze sznurka DNA, gdzie zostawia po sobie ślad podobny do blizny, a następnie zostaje wklejona w innym miejscu. Tak jak odkryte przez McClintock elementy, może wkleić się ona w środek genu, powodując jego inaktywację. Takie wydarzenie potrafi mieć katastrofalne skutki dla komórki, jeśli wklejenie zajdzie w obrębie jakiegoś ważnego dla funkcjonowania komórki genu. Na szczęście większość takich sekwencji jest w genomie człowieka nieaktywna, co zmniejsza ryzyko niespodziewanej mutacji. Co ciekawe, na przestrzeni lat te wędrujące sekwencje powodują czasem duplikację niesionej w sobie informacji genetycznej. Odegrało to znaczną rolę w ewolucji wszystkich organizmów żywych, ponieważ przyczyniło się do powstania genów o nowych funkcjach. Dzięki narzędziom biologii molekularnej potrafimy dziś wytropić miejsca wycięć i wklejeń z przeszłości. A nawet prześledzić drogę, którą przebył skaczący gen.
Skaczące geny odgrywają też sporą rolę w procesie, który dziś nastręcza nam wielu problemów. Chodzi mianowicie o horyzontalny transfer genów, czyli zdolność do przekazywania genów sąsiadom. Wydarzyć może się to między bakteriami tego samego i różnych gatunków, a nawet między bakteriami i owadami czy grzybami i zwierzętami! Kiedy przekazany zostanie gen oporności na antybiotyk, może pojawić się problem. Jeśli jedna bakteria otrzyma kilka takich genów, zdobywa w ten sposób supermoc – oporność na całe spektrum antybiotyków. Może to oznaczać prawie niezniszczalny, a przy tym potencjalnie również chorobotwórczy organizm.
Jak sobie radzić z takimi zdolniachami? Wieloantybiotykooporne bakterie to rzeczywiste zagrożenie, na które aktywnie poszukujemy remediów – szukamy nowych antybiotyków, projektujemy terapie fagowe. Jeśli jednak uwzględnić równoległe ogromne zużycie leków, m.in. w przemyśle spożywczym (przemysłowo hodowane zwierzęta konsumują trzy czwarte światowej produkcji antybiotyków), przekładające się na rosnącą oporność bakterii, to jasne staje się, że generujemy znacznie więcej problemów niż rozwiązań.
Większość antybiotyków, którymi dysponujemy, została odkryta w latach 80. i nie zanosi się na nagły przełom mający przynieść nowe substancje. Co roku z powodu infekcji bakteriami opornymi umiera 700 tysięcy osób. Może będzie to, kolejny po pandemii, argument za porzuceniem opresyjno-destrukcyjnego modelu gospodarki.
Mój genom to gulasz
Mamy więc do czynienia z sekwencjami zdolnymi do powielania się, wycinania i wklejania. Dojść do tego może w specyficznym lub losowym miejscu genomu. Potencjalnie możliwy jest wskok w środek ważnego genu. Potencjalnie możliwy jest wyskok z miejsca, gdzie skoczek odgrywał kluczową rolę. Brzmi źle i rzeczywiście czasem tak się kończy. Materiał genetyczny jest stale monitorowany przez maszynerię molekularną i naprawiany, ale żaden mechanizm nie jest nieomylny. Jeśli doczytałaś artykuł aż do tego miejsca, to możemy z dużym prawdopodobieństwem założyć, że w tym czasie w twoim ciele wydarzył się skok genetyczny, który mógłby się skończyć nowotworem, gdyby system zmuszający zmutowane komórki do samobójstwa nie zadziałał. Wdech i wydech. Niedotlenienie sprzyja mutacjom, chociaż z drugiej strony komórki, które są w laboratorium od czasu do czasu stresowane, wydają się radzić sobie na dłuższą metę lepiej niż te wiecznie dotlenione. Lepiej jednak oddychać niż nie.
Kiedy myślę o ogromie genomu i zachodzących w nim genetycznych roszadach, odczuwam swoją niepewność. Skoro składające się na mnie komórki są miejscem takich przetasowań, a skaczące geny i powtórzenia stanowią prawie połowę mojego genomu, trudno wyobrazić sobie utrzymanie tego wszystkiego w ładzie i względnej użyteczności. W wyobraźni widzę nieskończenie długą nić DNA całą poklejoną plastrami. Zwisające z niej nadbudówki i balkony wyglądają jak rozpaczliwy efekt samowolki budowlanej. Każdy organizm wiruje w zapętlonym cyklu mutacji i napraw DNA. To właśnie mutacje i błędy są siłą napędową ewolucji, bez której życie nie wyszłoby poza fazę prostych jednokomórkowców. Tak jak algorytm uczy się rozwiązywać problemy metodą prób i błędów, tak bakteria ginąca pod presją środowiska jest nauczką dla całej populacji bakterii danego gatunku. Presja środowiska przeprowadza selekcję na każdym uczestniku świata ożywionego, tak by móc wydobyć pojedynczą, sprzyjającą mutację i utrwalić ją w populacji.
Barbara wraca do gry
Wróćmy na chwilę do początku lat 70. Odkrycia McClintock przeżywają renesans. Skaczące geny i ich rola w regulacji organizmów żywych zostają dostrzeżone przez społeczność naukową. Wraz z rozwojem technik laboratoryjnych możliwe staje się rozpracowanie molekularnego mechanizmu skoków. Obserwacje McClintock zostają wreszcie wyjaśnione na poziomie mechanistycznym. Na początku lat 80. otrzymuje prestiżowy grant fundacji McArthura – zwany „grantem dla geniuszy”. Sypią się nagrody i wyrazy uznania. W 1983 roku zostaje pierwszą samodzielną noblistką – 30 lat po tym, jak pierwszy raz opisała fenomen elementów mobilnych i ich roli w regulacji ekspresji genów. Szwedzka Akademia Nauk porównuje jej karierę naukową do kariery legendarnego Grzegorza Mendla.
Przyczyny tak późnego uznania badań McClintock wykraczają poza standardowy seksizm Akademii. Możemy w niej dostrzec uosobienie genialnej odkrywczyni, która wyprzedziła swoje czasy w stopniu uniemożliwiającym zrozumiałą komunikację z resztą środowiska naukowego. W swoim otoczeniu McClintock była postrzegana jako outsiderka mówiąca językiem niezrozumiałym dla ówczesnej Akademii – zbyt technicznym, a przy tym pełnym metafor, co z pewnością przyczyniło się do marginalizacji znaczenia jej odkryć.
Presja antropocenu
Wiele chorób, z którymi zmaga się współczesna medycyna, ma podłoże genetyczne. Wiążą się one często ze zmianami lub wręcz brakiem fragmentu informacji zapisanej w DNA. Jeśli genom to ciąg klocków, w którym czasem brakuje kilku witalnych kawałków, to zastosowanie zaprojektowanych w laboratorium skaczących genów do wklejania znanych sekwencji w zaplanowane miejsce wydaje się obiecującą metodą naprawy wadliwych konstrukcji. Śpiąca Królewna (ang. Sleeping Beauty transposon system) to przykład wykorzystania skaczącego genu, który trwał w uśpieniu od 15 milionów lat. Zmodyfikowano go tak, by znów stał się funkcjonalny, i zastosowano w leczeniu anemii sierpowatej u myszy. Był to jeden z pierwszych kroków na drodze do wykorzystania skoczków w terapii genowej, którą wielu badaczy postrzega jako przyszłość leczenia. To ciekawy moment rozwoju medycyny, a jego najbardziej prominentnym przykładem jest szczepionka mRNA przeciw SARS-CoV-2. Kiedyś człowiek zmieniał świat, tak by móc w nim funkcjonować. Wycinał lasy, osuszał bagna i kopał kanały łączące rzeki. Amputował kończyny, wypalał rany gorącym żelazem i leczył zakażenia przy użyciu mięsożernych larw (swoją drogą, ta ostatnia technika została niedawno rehabilitowana w medycynie akademickiej). Później Pasteur podał nam pochodnię antybiotyków, byśmy mogli eksterminować miliardy bakteryjnych wrogów czyhających na nasze zdrowie i życie. Era szczepionek przyniosła zmiany w ludzkiej reakcji na świat zewnętrzny. Nauczyliśmy nasze ciała przewidywać ruchy przeciwnika i wytrenowaliśmy nasze układy odpornościowe. Uprzywilejowani zaczęli traktować „choroby przeszłości” jako śmieszne relikty czy ciekawostki biologiczne. Masowe zastosowanie szczepionki mRNA przeciwko SARS-CoV-2 może być kolejnym argumentem potwierdzającym paradoksalne rozpoznanie, zgodnie z którym forma, w jakiej człowiek występował przez dziesiątki tysięcy lat, nie jest wystarczająco „silna”, by poradzić sobie z presją środowiska antropocenu.
Zmieniliśmy zboża, drzewa owocowe i zwierzęta pod własny cywilizacyjny plan. Teraz czas na nas. Świat nie jest gościnną sielanką. Nie położysz się na łące bez niepokoju związanego z kleszczami, wirusami czy rozbitym szkłem. Zapraszając własne mechanizmy biochemiczne do syntezy „obcych” białek, symbolicznie naruszyliśmy naszą esencję, tak by móc przystosować się do zmieniających się, coraz bardziej ryzykownych warunków panujących w ludzko-nieludzkiej naturze.