Explore
Also Available in:

Prilagodba bakterija za hranjenje najlonskim otpadom

napisao 
preveo Mladen Čirjak

iStockphotomicroscope

Godine 1975. japanski znanstvenici otkrili su bakterije koje su u stanju živjeti na najlonskom otpadu kao njihovom jedinom izvoru ugljika i dušika.1 Identificirane su dvije vrste koje razgrađuju najlonske spojeve, Flavobacterium sp. K172 i Pseudomonas sp. NK87.

Mnogo je istraživanja proizašlo iz ovog otkrića kako bi se razjasnio mehanizam očito nove sposobnost ovih bakterija.2 Kod bakterije Flavobacterium K172 u igri su tri enzima: F-EI, F-EII i F-EIII, te dva u bakterije Pseudomonas NK87: P-EI i P -EII. Kod niti jednog od njih nije ustanovljena katalitička aktivnost prema amidnim spojevima koji se javljaju prirodno, što sugerira da su enzimi potpuno novi, a ne samo modificirani postojeći enzimi. Doista, nije pronađena sličnost s poznatim enzimima. Geni za ove enzime nalaze se na plazmidima:3 plazmidu pOAD2 u bakterije Flavobacterium i na dva plazmida, pNAD2 i pNAD6, u bakterije Pseudomonas.

Apologete materijalizma zaokupljeni su ovim nalazima kao primjerom evolucije novih informacija pomoću slučajnih mutacija i prirodne selekcije, primjerice, Thwaites 1985. godine.4 Thwaites-ove tvrdnje su ponovili mnogi, bez ažuriranja ili kritičke procjene.

Jesu li dokazi u skladu s nasumičnim mutacijama koje stvaraju nove gene?

Thwaites je tvrdio da je nov enzim stvoren frame-shift mutacijom. To je temeljio na radu objavljenom prethodne godine u kojem je to predloženo.5 Da je tako, stvaranje enzima bi zaista bilo rezultat slučaja koji bi se mogao pripisati ''čistoj sreći''.Međutim, postoje dobri razlozi za sumnju u tvrdnju da je to primjer slučajnih mutacija i prirodne selekcije koje generiraju nove enzime, i to bez obzira na krajnju nevjerojatnost takvog slučaja.6

Dokazi protiv evolucijskog objašnjenja uključuju:

  1. Postoji pet transpozabilnih elemenata na pOAD2 plazmidu. Kada su aktivirani, enzimi transpozaze, kodirani u njemu, uzrokuju genetsku rekombinaciju. Eksterno nametnuti stres kao što su visoka temperatura, izloženost otrovu ili gladovanje može aktivirati transpozasu. Prisutnost transpozaze u takvom broju na plazmidu sugerira da je plazmid dizajniran da se prilagodi kad je bakterija pod stresom.
  2. Svih pet transpozabilnih elemenata su identični, svaki sa 764 baznih parova (bp). To obuhvaća više od osam posto plazmida. Na koji način bi slučajne mutacije mogle proizvesti tri nova katalitička / degradacijska gena (koji kodiraju EI, EII i EIII) bez barem neke promjene na transpozabilnim elemenata? Negoro je nagađao da su transpozabilni elementi morali plazmidima biti "dodani kasnije" kako se ne bi promijenili. Ali za to nema dokaza, osim kružnog razmišljanja da su navodno slučajne mutacije generirale tri enzima, te bi tako promijenile gene transpozaze ako su cijelo vrijeme bili u plazmidu. Nadalje, prilagodba na najlonsku digestiju ne traje jako dugo (vidi točku 5. u nastavku), tako da se ideja o dodavanju transpozabilnih elemenata nakon toga ne može ozbiljno uzeti u obzir.
  3. Sva tri tipa gena za degradaciju naklona javljuju se na plazmidima i samo na plazmidima. Niti jedan se ne javlja na glavnim kromosomima bakterija ,bilo Flavobacterium ili Pseudomonas. Ovo ne liči na slučajno podrijetlo ovih gena - šanse da se to dogodi su niske. Ako genom Flavobacterium sadrži oko dva milijuna bp,7 a pOAD2 plazmid sadrži 45.519 bp, te ako po stanici postoji recimo 5 pOAD2 plazmida (~ 10% od ukupne kromosomske DNK), tada je vjerojatnost da se dobiju sva tri gena na pOAD2 plazmidu oko 0,0015. Ako dodamo vjerojatnost gena za degradaciju najlona bakterije Pseudomonas također samo na plazmidima, vjerojatnost pada na 2,3 x 10-6. Ako su se enzimi razvili u neovisnim laboratorijski kontroliranim eksperimentima prilagodbi (vidi točku 5, niže), također rezultirali enzimskom aktivnošću na plazmidima (gotovo sigurno, ali još nije određeno), tada razvoj adaptivnih enzima isključivo kroz slučajne mutacije postaje čak i manje vjerojatno.
  4. Antisens DNK lanac četiriju gena za najlon istraženih u bakterijama Flavobacterium i Pseudomonas nema nikakvih stop kodona.8 To je u nizu od ukupno 1.535 baza zaprepašćujuće. Vjerojatnost da se to dogodi slučajno u sve četiri antisense sekvence je oko 1 na 1012. Nadalje, EII gen u bakteriji Pseudomonas očito nije filogenetski povezan s EII genima bakterije Flavobacterium, tako da izostanak stop kodona u antisense niti svih gena ne može biti posljedica bilo kakvog dijeljenja zajedničkih atributa u samim genima (ili u njihovom porijeklu). Također, plazmid pOAD2 divljeg tipa nije nužan za normalan razvoj bakterije Flavobacterium, tako da funkcionalnost u divljim roditeljskim DNK sekvencama izgleda nije čimbenik održavanja okvira čitanja bez stop kodona u samim genima, a kamoli u antisense nitima.
    5. Neke tvrdnje koje su načinili Yomo i drugi, izražavaju njihovo zaprepaštenje:
    “Ovi rezultati upućuju na postojanje nekog nepoznatog mehanizma koji stoji iza evolucije tih gena za enzime za degradaciju najlonskih oligomera.
    “Prisustvo dugog NSF (non-stop okvira) u antisense niti izgleda kao rijedak slučaj, ali to može biti zbog neobičnih karakteristika gena ili plazmida za najlonsku degradaciju oligomera.
    “Prema tome, stvarno postojanje ovih NSF-ova navodi nas da nagađamo kako postoji neki poseban mehanizam u regijama ovih gena.”
    Izgleda da je došlo do rekombinacije kodona (trojki baznih parova), a ne pojedinačnih parova, između start i stop kodona za svaku sekvencu. To bi bio najjednostavniji način na koji bi antisense lanac mogao biti zaštićen od generiranja stop kodona. Mehanizam za takvu rekombinaciju je nepoznat, ali je vrlo vjerojatno da su uključeni geni transpozaze.
    Zanimljivo, Yomo i drugi također pokazuju da je vrlo malo vjerojatno da je bilo koji od ovih gena nastao kroz frame-shift mutaciju, jer bi takve mutacije (naprijed ili obrnuto) generirale puno stop kodona. To poništava tvrdnju Thwaites da je funkcionalni gen nastao čisto slučajnim procesom.
  5. Japanski istraživači pokazali su da se sposobnost degradiranja najlona može dobiti de novo u laboratorijskim kulturama Pseudomonas aeruginosa (soja POA), koje u početku nisu imale enzime sposobne degradirati oligomere najlona.9 To je postignuto u samo devet dana! Brzina ove prilagodbe sugerira poseban mehanizam za takvu prilagodbu, a ne nešto poput slučajnih mutacija i selekcije.
  6. Istraživači nisu bili u stanju dokazati bilo koji pretpostavljeni, od predaka, naslijeđeni gen koji prethodi genima za degradaciju najlona. Oni predstavljaju novu obitelj gena. Čini se da to isključuje dupliciranje gena kao izvor sirovine za nove gene.8

P. aeruginosa je poznata po svojoj sposobnosti da se prilagodi neuobičajenim izvorima hrane - poput toluena, naftalina, kamfora, salicilata i alkana. Ove sposobnosti počivaju na plazmidima poznatim kao TOL, NAH, CAM, SAL i OCT. Značajno, oni se ne nalaze na kromosomu (mnogi primjeri rezistencije na antibiotike također se nalaze na plazmidima).

Kromosom P. aeruginosa ima 6,3 milijuna baznih parova, što ga čini jednim od najvećih sekvenciranih bakterijskih genoma. Biti veliki genom znači da se unutar stvarnog kromosoma može tolerirati samo relativno niska stopa mutacije, inače će doći do katastrofe. Nema načina da normalne mutacije u kromosomu mogu generirati novi enzim za devet dana, a hipermutacija samog kromosoma rezultirala bi bakterijama koje nisu vijabilnie. Čini se da su plazmidi adaptivni elementi, dizajnirani kako bi bakterije bile sposobne prilagoditi se novim situacijama, istovremeno održavajući integritet glavnog kromosoma.

Staza u bakterija

P. aeruginosa-u prvi je opisao Schroeter, 1872. godine.10 Ona i dalje posjeduje iste osobine koje ju kao takvu određuju, ova bakterija nije evoluirala u neki drugi tip bakterije. Uočite da je moguć broj generacija bakterija tijekom 130 godina ogroman – ekvivalentan desecima milijuna godina ljudskih generacija, što, prema priči o evoluciji, obuhvaća porijeklo navodnih zajedničkih predaka čovjekolikih majmuna i čovjeka, možda čak i svih primata. Ipak, bakterija ne pokazuje znakove smjerne promjene – staza je na snazi, ne progresivna evolucija. Samo bi to trebalo baciti sjenu sumnje na evolucijsku paradigmu. Flavobacterium je prvi puta opisana 1889, te također, još uvijek posjeduje iste karakteristike kao i prvotno opisan organizam.

Čini se jasnim da su plazmidi dizajnirane značajke bakterija koje omogućuju prilagodbu novim izvorima hrane ili degradaciju toksina. Pojedinosti o tome kako to rade još uvijek treba razjasniti. Dosadašnji rezultati jasno upućuju na to da ove prilagodbe nisu nastale slučajnim mutacijama, već nekim oblikovanim mehanizmom. Taj mehanizam može biti analogan načinu na koji kralježnjaci brzo stvaraju nova učinkovita antitijela s hipermutacijom u sazrijevanju B stanica, što ne daje vjerodostojnost velikoj shemi neo-darvinističke evolucije.11 Očekujem da će daljnje istraživanje pokazati da je u adaptaciju koja se temelji na plazmidima, uključen sofisticiran, ireducibilno složen, molekularni sustav – dokazi snažno upućuju na to da takav sustav postoji. Ovaj sustav će još jednom, kako crna kutija postaje osvjetljenija, govoriti o inteligentnom stvaranju, a ne slučajnosti. Razumijevanje ovog sustava prilagodbe moglo bi dovesti do prodora u kontroli bolesti, jer bi specifični inhibitori mehanizama prilagodbe mogli, u ciljnim patogenim mikrobima, zaštititi antibiotike od razvoja rezistencije temeljene na plazmidima.

Preporučene bilješke

  1. Kinoshita, S., Kageyama, S., Iba, K., Yamada, Y. and Okada, H., Utilization of a cyclic dimer and linear oligomers of ε-aminocapronoic acid by Achromobacter guttatus K172, Agric. Biol. Chem. 39(6):1219–1223, 1975. Note: A. guttatus K172 syn. Flavobacterium sp. K172. Natrag na tekst.
  2. Negoro, S., Biodegradation of nylon oligomers [review], Appl. Microbiol. Biotechnol. 54(4):461–466, 2000| doi: 10.1007/s002530000434. Natrag na tekst.
  3. A plasmid is an extra-chromosomal loop of DNA in a bacterium. Such loops of DNA, unlike the chromosomal DNA, can be swapped between different species of bacteria. An individual bacterium can have several types of plasmid, and multiple copies of each. Natrag na tekst.
  4. Thwaites, W.M., New proteins without God’s help, Creation/Evolution 5(2):1–3 (issue XVI), 1985. Natrag na tekst.
  5. Ohno, S., Birth of a unique enzyme from an alternative reading frame of the preexisted, internally repetitious coding sequence, Proc Natl Acad Sci USA 81(8): 2421–2425, 1984 | PMCID: PMC345072. Natrag na tekst.
  6. Truman, R., Protein mutational context dependence: a challenge to neo-Darwinism theory: part 1, J. Creation 17(1):117–127; Truman, R. and Heisig, M., Protein families: chance or design?, J. Creation 15(3):115–127. Natrag na tekst.
  7. As of the date of writing, no Flavobacterium sp. genome has been sequenced. Natrag na tekst.
  8. Yomo, T., Urabe, I. and Okada, H., No stop codons in the antisense strands of the genes for nylon oligomer degradation, Proc Natl Acad Sci USA 89(9): 3780–3784, 1992 | PMCID: PMC525574. Natrag na tekst.
  9. Prijambada, I.D., Negoro, S., Yomo, T. and Urabe, I., Emergence of nylon oligomer degradation enzymes in Pseudomonas aeruginosa PAO through experimental evolution, Appl Environ Microbiol. 61(5): 2020–2022, 1995 | PMCID: PMC167468. Natrag na tekst.
  10. Bacterial Nomenclature Up-to-date, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Germany, dsmz.de, accessed 18 September 2003. Natrag na tekst.
  11. Truman, R., The unsuitability of B-cell maturation as an analogy for neo-Darwinian Theory, trueorigin.org, accessed March 2002. Natrag na tekst.

Srodni članci

Dodatno štivo

Helpful Resources