Εξέλιξη εν δράση: παθογόνα Understand article
Οι παθογόνοι οργανισμοί, οι οποίοι απειλούν την ανθρώπινη υγεία εξελίσσονται συνεχώς ώστε να ανταποκρίνονται στην άμυνά μας. Αλλά μπορούμε πια να εντοπίσουμε αυτές τις αλλαγές σε γενετικό επίπεδο, ακόμα και ενόσω συμβαίνουν.
Μία από τις κύριες κινητήριες δυνάμεις της εξέλιξης είναι η φυσική επιλογή- όπου κάθε οργανισμός με ένα συγκεκριμένο γενετικό πρότυπο παράγει περισσότερους απογόνους από άλλους σε ένα δεδομένο περιβάλλον, οδηγώντας σε προσαρμογές σε αυτόν τον οργανισμό που του επιτρέπουν να επιβιώνει, ενώ οι υπόλοιποι εξαφανίζονται.
(Science Photo Library/De Angelis, Maurizio)
Όπως καθιέρωσε ο Δαρβίνος, αυτή η διαδικασία της θετικής φυσικής επιλογής- μέσω της οποίας χαρακτηριστικά που αυξάνουν την προσαρμοστικότητα του οργανισμού καθίστανται επικρατή σε έναν πληθυσμό- συνεισφέρει στην ποικιλομορφία που βλέπουμε στους ζώντες οργανισμούς. Αλλά είναι επίσης ένας παράγοντας σε διαδικασίες που διακινδυνεύουν τη δική μας επιβίωση, όπως η εξάπλωση των ιογενών λοιμώξεων και η ανάπτυξη ανθεκτικότητας των παθογόνων βακτηρίων στα αντιβιοτικά. Όμως, χάρη στα ευρηματικά εργαστηριακά πειράματα(δείτε για παράδειγμα, Bryk, 2017), και στις προόδους στην τεχνολογία αλληλούχισης γονιδίων, όπως εύχρηστες μηχανές αλληλούχισης, μπορούμε τώρα να παρακολουθήσουμε αυτήν τη διαδικασία γρήγορα και με ακρίβεια- όχι μόνο στο εργαστήριο, αλλά και οπουδήποτε στον κόσμο. Αυτό έχει αποδειχθεί σημαντικά πολύτιμο για την κατανόηση της εξέλιξης των ασθενειών, που προκαλούνται από μικροοργανισμούς.
Σε αυτό το άρθρο, εστιάζουμε σε δύο αξιέπαινες μελέτες που εξετάζουν πώς τέτοιοι παθογόνοι μικροοργανισμοί εξελίσσονται συνεχώς, αποκαλύπτοντας τα μοτίβα γενετικών αλλαγών- και τους περιοριστικούς παράγοντες- πίσω από αυτή τη διαδικασία.
Ανθεκτικότητα στα αντιβιοτικά στο προσκήνιο
Ένα παράδειγμα της εξέλιξης μέσω της θετικής φυσικής επιλογής είναι η εμφάνιση ανθεκτικότητας ενάντια των αντιβιοτικών στα βακτήρια. Η χρήση των αντιβιοτικών θέτει μια επιλεκτική πίεση στον πληθυσμό των βακτηρίων, τα οποία μεταλάσσονται και αναπαράγονται πολύ γρήγορα. Ως αποτέλεσμα, οποιαδήποτε γενετική παραλλαγή που προστατεύει τα βακτήρια από το αντιβιοτικό παραμένει στον πληθυσμό, και όλες οι υπόλοιπες παραλλαγές εξαφανίζονται.
Αυτή η διαδικασία έχει αποτυπωθεί δραματικά στην κάμερα από τoν Δρ. Michael Baym, έναν ερευνητή στο πανεπιστήμιο Harvard στις ΗΠΑ και ένα αυτο-δεδηλωμένο ανθεκτικό στο αντιβιοτικό αγωνιστή. Το 2015, o Baym έστησε έναν έξυπνο μηχανισμό για να οπτικοποιήσει πώς τα ανθεκτικά βακτήρια εξαπλώνονται σε ένα περιβάλλον με αντιβιοτικά. Χρησιμοποίησε ένα τεράστιο ορθογώνιο τρυβλίο Petri, με πλάτος 60cm. και μήκος 120cm. (ένα κλασικό τρυβλίο Petri έχει διάμετρο 9cm) γεμάτο με άγαρ, ένα μέσο που μοιάζει με ζελέ( γέλη) για την ανάπτυξη των βατηρίων, το οποίο είχε βαφτεί μαύρο. Καίρια, εισήγαγε στο άγρα συγκεντρώσεις αντιβιοτικού που αυξάνονταν σταδιακά κατά μήκος του τρυβλίου (εικόνα 1), από 0 αντιβιοτικό μέχρι 1000 μονάδες αντιβιοτικού στο κεντρικό τμήμα – το οποίο θα ήταν αρκετό να σκοτώσει απολύτως κάθε βακτήριο. Έστησε έναν προβολέα και μια κάμερα πάνω από το τρυβλίο, ώστε κάθε αποικία βακτηρίων να είναι εμφανής ως άσπρα σημεία σε σχέση με το μαύρο φόντο του άγαρ. Έτσι, εμβολίασε το πιάτο με το βακτήριο Escherichia coli (E. coli) στα δύο άκρα του τρυβλίου, όπου δεν υπήρχε καθόλου αντιβιοτικό- και περίμενε να ξεκινήσει η διαδικασία (εικόνα 2).
Kishony Lab, Harvard Medical School and Technion – Israel Institute of Technology
Άρα, τι συνέβει; Η E.coli μπορούσε να προχωρήσει στο επάνω μέρος του άγαρ, οπότε όταν τα βακτήρια ξέμεναν από φαγητό στη δική τους γειτονιά, μετακινούνταν σε μια άλλη περιοχή (εικόνα 3). Η αύξησή τους, όμως, αναστέλλονταν από το αντιβιοτικό στη γειτονική περιοχή, έτσι ώστε μόνο βακτήρια με μεταλλάξεις που τους επέτρεπαν να επιβιώνουν από αυτή την έκθεση στο αντιβιοτικό να προχωρούν παραπέρα. Άρα στην πρώτη περιοχή που περιείχε αντιβιοτικό (σε συγκέντρωση της 1 μονάδας) εισέβαλλαν μεταλλαγμένα βακτήρια. Αυτά αναπαράχθηκαν με τoυς απογόνους τους να εξαπλώνονται σε ολόκληρη την περιοχή- εώς ότου τα τελευταία συνάντησαν την επόμενη περιοχή με υψηλότερη συγκέντρωση αντιβιοτικού. Στα σύνορα των περιοχών με τις διαφορετικές συγκεντρώσεις, τα βακτήρια σταμάτησαν ξανά μέχρι να προκύψουν νέες μεταλλάξεις που θα τους παρείχαν αντοχή στο αντιβιοτικό.
Αυτή η διαδικασία επαναλήφθηκε σε κάθε σύνορο μέχρι που, μετά από 11 μέρες βακτηριακής ανάπτυξης, τα βακτήρια E.coli είχαν καλύψει όλη την επιφάνεια του τεράστιου τριβλύου, με τα βακτήρια στο κέντρο του τρυβλίου να έχουν αναπτύξει ανθεκτικότητα σε συγκεντρώσεις του αντιβιοτικού 1000 φορές μεγαλύτερη από αυτήν κοντά στις άκρες (εικόνα 4). Κάθε βήμα στη διαδικασία είχε καταγραφεί σε ένα βίντεο.w1.
Kishony Lab, Harvard Medical School and Technion – Israel Institute of Technology
Kishony Lab, Harvard Medical School and Technion – Israel Institute of Technology
Kishony Lab, Harvard Medical School and Technion – Israel Institute of Technology
Καθώς οι ερευνητές μπορούσαν να δουν την εξάπλωση των βακτηρίων κάθε στιγμή, μπορούσαν επίσης να παρατηρήσουν τα βακτήρια από τα κριτικά σημεία από όπου προέρχονταν συγκεκριμένες μεταλλάξεις. Από την αλληλούχιση αυτών των γονιδιωμάτων, ήταν δυνατό να εντοπίσουν τις αλλαγές σε κάθε βήμα κατά την εξέλιξη της ανθεκτικότητας (εικόνα 5).
Προέκυψε ότι πολλές από τις μεταλλαγές συνέβησαν πολλαπλές φορές, έτσι φαίνεται ότι κάποια μονοπάτια αννθεκτικότητας είναι πιο συχνά από κάποια άλλα. Επιπλέον, κάποιες μεταλλάξεις συνέβησαν σε γονίδια που προφανώς δεν είχαν καμία σχέση με το αντιβιοτικό, το οποίο αποτύπωσε ένα κομβικό σημείο στην ανάπτυξη της ανθεκτικότητας: η ανάγκη να προσαρμοστούν στο αντιβιοτικό είναι ένα φορτίο στις βασικές μεταβολικές διεργασίες, έτσι απουσία αντιβιοτικού, ανθεκτικά βακτηρία συχνά μεγαλώνουν πιο αργά από τα μη ανθεκτικά. Οι επιπλέον μεταλλαγές ήταν απαραίτητες για να εξισορροπηθεί το μεταβολικό φορτίο, και αυτό μπορεί να αποτελεί κι έναν άλλο λόγο για την παύση της ανάπτυξης στα σύνορα όπου υπάρχει αύξηση της συγκέντρωσης του αντιβιοτικού.
Kishony Lab, Harvard Medical School and Technion – Israel Institute of Technology
Σε ένα μεταγενέστερο βήμα σε αυτό το πείραμα, ο Baym και οι συνεργάτες του έκαναν και μια άλλη κρίσιμη παρατήρηση. Εάν διαφοροποιούσαν τις συγκεντρώσεις του αντιβιοτικού σε γειτονικές περιοχές ευρύτερα, κανένα μεταλλαγμένο στέλεχος δε μπορούσε να επιβιώσει στη δίπλα περιοχή, και η βακτηριακή ανάπτυξη σταματούεσε τελείως στο πρώτο σύνορο. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί από την ίδια αρχή: όταν η επιλεκτική πίεση του αντιβιοτικού στο περιβάλλον είναι πραγματικά ψηλά, είναι σχεδόν απίθανο για τα βακτήρια να αναπτυχθούν, διότι οι απαραίτητοι μηχανισμοί για να ξεπεραστεί ένα τέτοιο φορτίο απαιτεί υπερβολικά πολλές μεταλλαγές με τη μια- έτσι τα βακτήρια πεθαίνουν.
Η επιδημία του Ebola
Ένα άλλο παράδειγμα της εξέλιξης των μικροβιακών παθογόνων που έχουν μελετηθεί αρκετά, είναι ένα από τα πιο θανατηφόρα ανθρώπινα παθογόνα: ο ιός Ebola. Η επιδημία του Ebola το 2013-2015 ήταν η μακρύτερη και μεγαλύτερη εώς τώρα, με 28.646 περιπτώσεις και 11.323 θανάτους καταγεγραμμένους μέχρι τον Ιούνιο του 2016. Η διάρκεια της επιδημίας σε συνδυασμό με τον ερχομό των ραγδαίων τεχνολογιών αλληλούχησης, που θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν στο πεδίο, επέτρεψε στους ερευνητές να εντοπίσουν την εξέλιξη αυτού του ιού καθώς μόλυνε νέους ασθενείς.
Καθοδηγούμενοι από αμερικανούς ερευνητές, γενετιστές Dr Pardis Sabeti (Harvard University), Dr Jeremy Luban (University of Massachusetts Medical School) και Dr Andrew Rambaut (University of Edinburgh), οι επιστήμονες που μελετούν τον Ebola κατασκεύασαν ένα “οικογενειακό δέντρο” του ιού καθώς εξαπλωνόταν στην Δυτική Αφρική για δυο χρόνια (Park, 2015). Κάθε κλαδί του δέντρου αντιπροσωπεύει ένα καινούργιο σετ μεταλλαγών που επέτρεψαν στον ιό να αναπτυχθεί και να πολλαπλασιαστεί καλύτερα από άλλα στελέχη. Συγκρίνοντας ιικά γονιδιώματα από ασθενείς σε διαφορετικές χώρες και διαφορετικές χρονικές στιγμές, η ομάδα διαπίστωσε ότι η κύρια παραλλαγή του ιού προήλθε από τη Γουινέα- και ήταν ικανός να εξαπλωθεί περαιτέρω μόνο αφ’ ότου είχε αποκτήσει πέντε νέες μεταλλαγές. Καθώς μετακινούνταν από τη Γουινέα στη Σιέρα Λεόνε το Μάιο του 2014, μια άλλη μεταλλαγή εμφανίστηκε και έγινε πιο συνήθης σε αυτήν την περιοχή (Diehl et al., 2016)w2. Η νέα μεταλλαγή παρατηρήθηκε πρώτη φορά σε ένα μόνο ασθενή, αλλά ήταν τόσο επιτυχής που 97% των 200 και γονιδιωμάτων Ebola που αναλύθηκαν σε ολόκληρη τη μελέτη ήταν απόγονοι αυτού του μεταλλαγμένου. Αυτή είναι μια αξιοσημείωτη επιτυχημένη ιστορία ενός στελέχους που εμφανίστηκε μόνο 2 χρόνια πριν (Εικόνα 6).
(Πηγή: nextstrain.org)
Πιο σημαντικά, η μελέτη αποκάλυψε κάποια γονίδια του γονιδιώματος του Ebola που είχαν αλλάξει πολύ περισσότερο από το προβλεπόμενο, συμπεριλαμβανομένων εκείνων για μόρια πρωτεϊνών που εντοπίζονται εξωτερικά του ιού. Αυτές οι ιικές πρωτεΐνες θεωρούνται στόχοι των ανθρώπινων αντισωμάτων που αμύνονται στη μόλυνση, έτσι ραγδιαίες αλλαγές σε αυτές τις πρωτεΐνες θα βοηθήσουν τον ιό να αποφύγει την εξουδετέρωση από τον ξενιστή- ένα πρότυπο που ωθείται από τη φυσική επιλογή. Αυτά τα γονίδια αποτελούν τώρα έναν υποσχόμενο στόχο για έρευνα, ώστε να αντιμετωπίσουμε την εξάπλωση του ιού σε οποιαδήποτε μελλοντική επιδημία. Ανακαλύπτοντας περισσότερα για τους μηχανισμούς της εξέλιξης, οι ερευνητές μπορούν να αναπτύξουν αποτελεσματικές στρατηγικές για να “πολεμήσουν” παθογόνους στο μέλλον.
References
- Bryk J (2017) Evolution in action: the 67 000-generation experiment. Science in School 41: 24-29.
- Park D et al. (2015) Ebola virus epidemiology, transmission, and evolution during seven months in Sierra Leone. Cell 161 1516-1526. doi: 10.1016/j.cell.2015.06.007
- Diehl W E et al. (2016) Ebola virus glycoprotein with increased infectivity dominated the 2013–2016 epidemic. Cell 167 1088–1097. doi: 10.1016/j.cell.2016.10.014
Web References
- w1 – Δείτε το βίντεο που δημιουργήθηκε από τον Michael Baym και τους συνεργάτες του, το οποίο δείχνει την εξάπλωση της E.coli διαμέσου περιοχών με αυξανόμενη συγκέντρωση αντιβιοτικού στο “μέγα-τρυβλίο”.
- w2 – Δείτε μια απεικόνιση που δείχνει την εξάπλωση του ιού Ebola, και πώς την επηρέασε το νέο στέλεχος που εμφανίστηκε γύρω στον Ιούνιο του 2014.
Resources
- Επισκεφτείτε την ιστοσελίδα Atlantic για ένα προσβάσιμο άρθρο στο πείραμα του Baym και τις επιδράσεις του.
- Διαβάστε το επιστημονικό άρθρο στο περιοδικό Science, όπου αναφέρετε το πείραμα του Baym: Baym M et al. (2016).
- Baym M et al. (2016) Spatiotemporal microbial evolution on antibiotic landscapes. Science 53: 1147-1151. doi: 10.1126/science.aag0822
- Δείτε τον ερευνητή Pardis Sabeti’s TED talk για τη μάχη με τον Ebola.
- Διαβάστε ένα ιστολόγιο για τη δουλειά επιτήρησης του Ebola, με συνδέσμους για τη κάλυψη από τα μέσα μαζικής ενημέρωσης της έρευνας και της τεχνολογίας πίσω από αυτόν.
- Ένας οδηγός για τον Ebola μπορεί να βρεθεί στον ιστότοπο Médecins Sans Frontières website.
Review
Ένα από τα βασικά προβλήματα κατά τη διδασκαλία της εξέλιξης είναι η διάσταση του χρόνου. Επειδή η ανθρώπινη ζωή είναι σύντομη σε σύγκριση με τα χρονικά πλαίσια στα οποία οι αξιοσημείωτες εξελικτικές διεργασίες συμβαίνουν, η ιδέα της αλλαγής κατά τη διάρκεια του χρόνου αποτελεί μια βασική δυσκολία στην κατανόηση της εξέλιξης. Έτσι, παραδείγματα εξελικτικών διαδικασιών που συμβαίνουν σε μία χρονική περίοδο συμβατή με την ανθρώπινη αντίληψη παρέχουν ευκαιρία για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα.
Το πείραμα που αναφέρθηκε σε αυτό το άρθρο παρέχει μια καλή οπτική για το πώς τα στοιχεία του χρόνου και των μεταλλαγών επηρεάζουν την εξέλιξη. Οι καθηγητές θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτό το άρθρο για να διδάξουν την εξέλιξη επιδεικνύοντας ότι η εξέλιξη μπορεί να λάβει χώρα σε μικρή χρονική περίοδο. Το άρθρο είναι,επίσης, χρήσιμο για την επεξήγηση του κεντρικού ρόλου των μεταλλαγών κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, ως μια πηγή ποικιλομορφίας που δρα η φυσική επιλογή. Και επειδή το πείραμα περιλαμβάνει μια γνώριμη ιδέα-τη χρήση αντιβιοτικών- είναι εύκολο να κατανοηθεί.
Παναγιώτης Κ. Στασινάκης, καθηγητής βιολογίας, 4ο Λύκειο Ζωγράφου, Ελλάδα