„Holobiontų“ idėja reiškia paradigmos pokytį biologijoje

"Kiek ląstelių yra žmoguje?"  Tai gilus filosofinis tyrimas. Vienas atsakymas yra apie 37 trn. Tai yra 70 kg sveriančio įprasto suaugusio žmogaus skaičius, nurodantis jų kilmę iš apvaisinto kiaušialąstės, iš kurios šis žmogus atsirado.

 

Tačiau pažvelkite į tai kitaip ir gausite maždaug dvigubai didesnį skaičių. Tai prideda archeinių, bakterijų, grybelių ir protistų ląstelių, kurios užima burną, žarnas, odą, plaučius ir beveik visus kitus žmogaus kūno paviršius bei kampelius. Šios ląstelės sudaro tik apie 0,3% žmogaus kūno svorio. Tačiau apskritai būdamos daug mažesnės nei „tikros“ žmogaus ląstelės, jų yra beveik vienodai daug.

 

Tai, kad žmonės turi šį lydintį mikrobiomą, nėra naujiena. Taip pat nėra naujiena, kad nors kai kurios iš šių papildomų ląstelių yra tik keleiviai, kitos yra aktyviai naudingos. Simbiozės, kai skirtingos rūšys gyvena kartu glaudžiai ir bendradarbiaujant, idėja siekia XIX a. Tačiau tai, kas prasidėjo, kaip baigtinis neįprastų atvejų sąrašas, palaipsniui išaugo iki taško, kai tampa aišku, kad beveik kiekvienas daugialąstis organizmas – ir net kai kurie vienaląsčiai – turi simbiontus.

 

Kai kuriems biologams tai rodo, kad atėjo laikas „paradigmos pokyčiui“ – naujam būdui mokslininkams pažvelgti į pasaulį. Jie sako, kad atsižvelgiama į seną idėją, kad augalai ir gyvūnai „turi mikrobiomą“, ir mintis, kad abu yra tik vieningo metaorganizmo dalys, kurių komponentai vystosi kartu tarpusavyje. Ir taip pat su pavadinimu šiems bendruomeniniams gyvūnams: holobiontai.

 

Holistinis mąstymas

 

Vienas iš šio mąstymo būdo tikinčių yra Thomas Bellas, sausio mėnesį atidaryto Londono Imperial College Holobiontų centro Leverhulme vadovas. Paradigmų pokyčiai turi daug priežasčių. Tačiau šiuo atveju pusiausvyrą padėjo pakeisti technologija, vadinama metagenomika. Dr Bell ir jo kolegos planuoja jį pritaikyti daugeliui žinomų ir potencialių holobiontų.

 

Metagenomika vienu metu analizuoja visko, kas yra pavyzdyje, genomus – ar tai būtų dirvožemis, vanduo, lapų pakratai ar sumaišyta augalo ar gyvūno dalis. Prieš išradimą bandyti išsiaiškinti, kurie mikrobai buvo tokiuose mėginiuose, buvo sudėtinga. Tik nedaugelis mikroorganizmų gali būti auginami laboratorijoje, todėl daugelis jų buvo nematomi mokslui. Šiomis dienomis galite paleisti atitinkamą bet kurio organizmo, kurį norite paminėti, ekstraktą per metagenomikos gamyklą, o jei tai padarysite, tikėtina, kad jis pasirodys, kaip holobiontas.

 

Dr Bell ir jo kolegos ypač žiūri į vabzdžius, varliagyvius ir augalus. Be to, kad jie yra eukariotai (tai reiškia, kad jų ląstelės turi tinkamus branduolius ir sudėtingas struktūras, vadinamas organelėmis), evoliuciniu požiūriu jie turi mažai bendro. Kiekviena grupė buvo atrinkta tirti, nes žiūrėti į jos narius kaip į holobiontus, o ne į atskiras būtybes, yra pamokantis dalykas.

 

Tarp vabzdžių centras prasideda nuo žievės vabalų ir bičių. Žievės vabalų holobiontinį pobūdį pabrėžia tai, kad kai kurie iš jų sukūrė specialias struktūras, vadinamas mikangijomis, kurios nešioja grybelių sporas. Iš sporų išauga plonos ūseliai, vadinami hifais, kurie leidžia virškinti medieną. Tai išskiria maistines medžiagas, kurias vabalai gali metabolizuoti. Tačiau jei šie grybai (vienas žinomiausių iš jų sukelia olandų guobų ligą) išeis į laisvę, jie gali nuniokoti ištisus miškus.

 

Tuo tarpu bitės yra svarbios apdulkintojos, dėl kurių aviliai gali keistis mikrobiomais per gėles, kurias aplanko jų nariai. Kai kurios bičių populiacijos taip pat turi streso požymių, galbūt, dėl insekticidų naudojimo. Keletas dr. Bello kolegų įtaria, kad tai paaiškinama ne gyvūninėje holobionto dalyje, o greičiau jo mikrobinėje dalyje.

 

Varliagyviai įtraukiami į sąrašą, nes daugeliui jų gresia išnykimas dėl odos grybų, vadinamų chitridai, kuriuos iš jų Azijos tėvynės išplatino žmonės. Kartu su Londono zoologijos sodo tyrėjais centro mokslininkai tiria varliagyvių odos mikrobiomų įvairovę ir ar tai gali suteikti metaorganizmui imunitetą chitridų infekcijai.

 

Augalai atsiduria centro taikiklyje, nes daugumą jų lydi bakterijų ir grybų „rizosfera“, prisitvirtinusi prie jų šaknų arba net prasiskverbianti į šaknis. Rizosferos biocheminiai keliai padidina maistinių medžiagų, prieinamų visam holobiontui, spektrą. Rizosferą savo ruožtu palaiko angliavandeniai ir kitos maistinės medžiagos, kurias sintetina holobionto augalinis komponentas.

 

Naudingas aljansas

 

Toks darbas, kaip daktaro Bello, reiškia, kad holobiontų, kaip prasmingos kategorijos, idėja populiarėja (žr. diagramą). Bet už tai kad būtų priimta visiškai, ji turi būti atskirta ir apibrėžta. Kaip teigia Scottas Gilbertas, Swarthmore koledžo vystymosi biologas: „Ši [holobiontų] sąvoka meta iššūkį ir siekia pakeisti monogenominio individo, kurio esminė tapatybė atsiranda vystymosi metu, palaikoma imuninės sistemos ir kuris yra atrenkamas, sampratą.“ Tai didelis reikalavimas.

 

Vienas iš galimų kliūčių yra individualus tęstinumas. Įprastai klasifikuojamiems organizmams ryšys tarp tėvų ir palikuonių yra aiškus. Numanomiems holobiontams gali būti mažiau aišku. Užuot augę iš vieno apvaisinto kiaušinėlio, holobiontus reikia surinkti. Kartais komponentai perduodami tarp tėvų ir palikuonių. Pavyzdžiui, žmonės gimsta, kai kai kurie mikrobai jau yra jų žarnyne. Netvarkingo gimdymo metu jie pasiima kitus, o dar daugiau – iš mamos pieno. Tokiomis aplinkybėmis nesunku suprasti, kaip įvairūs holobionto komponentai gali išsivystyti į vieną veikiantį vienetą.

 

Augalai linkę kurti savo asociacijas horizontaliai – sudarydami sąjungas su mikrobais, jau gyvenančiais dirvožemyje, kuriame jie sudygo. Galima manyti, kad tai susilpnina susidariusių aljansų, kurie elgiasi kaip pavieniai evoliuciniai vienetai, atvejį. Tiesą sakant, Stenfordo universiteto evoliucijos biologės Joan Roughgarden skaičiavimai rodo, kad horizontalus perdavimas taip pat palaiko koevoliuciją, taigi ir tikrų holobiontų atsiradimą.

 

Vienas iš įrodymų, leidžiančių manyti, kad ji teisi, yra gautas iš Teksaso universiteto Ostine biologo Thomaso Juengerio atlikto žolės tyrimo. Jei augalai ir jų rizosferos yra evoliuciniai vienetai, galima tikėtis, kad jie surinks „pagrindinį“ mikrobiomą, kurį skatina specifiniai augalo genai. RYKŠTINĖS SOROS turi tris genetiškai skirtingas populiacijas Šiaurės Amerikoje. Lygindamas šias ir su jomis susijusias rizosferas, daktaras Juengeris parodė ryšį tarp augalo genų, ypač susijusių su jo imunine sistema, ir bakterijų, kurios klestėjo susidariusioje rizosferoje.

 

Kartais, kaip ir žievės vabalams ir jų mikangijoms, pirminio šeimininko ir mikrobiomo evoliucinė integracija yra akivaizdi net ir be genetinės analizės. Mastotermes darwiniensis, Australijos termitas, remiasi žarnyno mikrobais, kad suskaidytų kietą medieną, kurią jis valgo, į molekules, kurias holobionto gyvūninė dalis gali metabolizuoti. Mixotricha paradoxa, vienas iš tų skaidulą virškinančių komponentų, yra protisto (vienaląsčio eukarioto) ir keturių tipų bakterijų junginys. Lynn Margulis, amerikiečių biologas, 1991 metais įvedęs terminą holobiontas, pavadino šį gyvūną „žvėrimi su penkiais genomais“.

 

Amarai yra vienodai intriguojantys. Visi šios grupės nariai nešioja Buchnera genties bakterijas, kurios niekur kitur nežinomos. Manoma, kad santykiai tęsiasi maždaug 200 mln. metų, Buchnera gyvena specializuotose amarų ląstelėse, vadinamose bakteriocitais. Bakterijos yra taip sujauktos, kad išmetė daugumą genų, nuo kurių buvo pradėtos, pasikliaudamos savo partneriais gyvūnais, kad užpildytų biochemines spragas. Mainais jie sintetina aminorūgštis, kurių vabzdžiai negali pasigaminti patys.

 

Taip pat istorija tuo nesibaigia. Daugelio amarų bakteriocituose yra antroji bakterija Hamiltonella defensa. Šie gyvūnai, kurių aminorūgščių tiekimas taip pat priklauso nuo Buchnera, naikina parazitinių vapsvų lervas, kurios kitu atveju suvalgytų amarą. Tačiau tai, savo ruožtu, nutinka tik esant virusui, vadinamam APSE – dar mažesnė metaforinė blusa holobiontų hierarchijoje.

 

Visa tai primena ekstremaliausią holobiontrijos atvejį: organelių, vadinamų mitochondrijomis, ir chloroplastais. Mitochondrijos gamina energiją metabolizdamos gliukozę ir yra visuose eukariotuose. Chloroplastai dalyvauja fotosintezėje ir apsiriboja dumbliais ir augalais. Abu yra tolimi palikuonys anksčiau laisvai gyvenusių bakterijų, kurios pradėjo savo santykius su ląstelėmis, kurias dabar vadina namais, daugiau nei prieš milijardą metų. (Būtent šie du atvejai paskatino Margulį įvesti terminą holobiontas.)

 

Holobioninis žmogus

 

Rodomas įvairus intymumo laipsnis – nuo paviršinio keleivio iki gyvybiškai svarbios ląstelės sudedamosios dalies – kelia klausimą, kur tiksliai yra termino „holobiontas“ ribos. Tačiau biologijoje gausu sąvokų, kurios vienu metu yra neaiškios ir naudingos („rūšis“ yra viena). Galbūt, svarbiausias šios koncepcijos uždavinys yra priminti biologams, kad jie niekada nepaisytų galimo mikrobiomo vaidmens bet kuriame reiškinyje, kurį jie bando suprasti. Pavyzdžiui, vabzdžių atsparumo pesticidams raidos tyrimas paprastai apima paties vabzdžio genomą. Tačiau kenkėjų, vadinamų pupiniais vabzdžiais, atsparumą fenitrotionui, insekticidui, suteikia Burkholderia genties bakterijos, gyvenančios jų žarnyne – tai svarbios žinios, jei norite pasipriešinti šiam atsparumui.

 

Ir yra dar keistesnių galių, kurias holobiontams suteikia jų mikrobinės dalys. Pavyzdžiui , tam tikros bakterijos yra jautrios magnetiniams laukams. Tyrėjai įtaria, kad kai kurie galėjo sudaryti sąjungas su būtybėmis, tokiomis, kaip vėžliai ir paukščiai, todėl šie gyvūnų kolektyvai galėjo naudotis Žemės lauku navigacijai. Labiau žinoma, kad šunų (taip pat hienų ir kitų mėsėdžių, turinčių išangės liaukas) holobiontinė prigimtis leidžia jiems bendrauti per kvapo ženklus. Kvapai, kuriuos jie palieka tokiu būdu, atsiranda dėl bakterijų skaidymo  šių liaukų sekretuose.

 

Geriausiai ištirtas gyvūnų holobiontas yra Homo sapiens. Topologiškai žmogus yra toras – trimatis objektas, kurio viduryje yra skylė. Aptariama skylė yra virškinimo kanalas. Beveik visame šio toro paviršiuje gyvena mikrobai, nors skirtingose dalyse gyvena skirtingi gyventojai. Didžiausias jų skaičius gyvena apatinėje žarnoje.

 

Šie žarnyno mikrobai išplečia žmogaus holobionto virškinimo galimybes taip pat (nors ne tokiu pat laipsniu), kaip ir termitų, skaidydami pluoštinius augalų polimerus į mažesnes molekules, kurias gali metabolizuoti kitos 37 trln. ląstelės. Tačiau jie gamina ir daugybę kitų molekulių, kai kurios iš jų siunčia signalus į holobionto gyvūnų ląsteles. Be to, tos ląstelės dažnai signalizuoja atgal.

 

Šis signalas atrodo ypač įtakingas nervų sistemos dalims. Tarp žarnyno bakterijų išskiriamų molekulių yra serotoninas, GABA ir katecholaminai. Visi yra neurotransmiteriai, cheminės medžiagos, pernešančios impulsus tarp nervų ląstelių. Taigi mikrobiomas yra neatsiejama žarnyno ir smegenų ašies dalis – nuolatinis nervinis pokalbis tarp didžiausios nervų ląstelių grupės kūne (centrinės nervų sistemos) ir antros pagal dydį (žarnų nervų sistemos).

 

Trečioji didelė šeimininko ir mikrobiomo sąveika apima imuninę sistemą. Tai tarpininkauja susitarimui, kuris išlaiko visą pasirodymą kelyje, užkertant kelią tam tikrai mikrobiomo riaušių daliai – užduotis yra tokia pat svarbi, kaip apsisaugoti nuo infekcinių ligų. Savo ruožtu gerai subalansuotas mikrobiomas padeda imuninei sistemai, neleidžiant patogeninėms bakterijoms daugintis žarnyne.

 

Taigi žarnyno mikrobiomas yra giliai integruotas su žinduolių žmogaus holobionto dalimi – kaip galima pastebėti, kai ši integracija nepavyksta. Disbiozė, kaip tai žinoma, yra bent jau susijusi su nutukimu, diabetu, aukštu kraujospūdžiu, ateroskleroze, astma, uždegiminėmis žarnyno ligomis, kai kuriomis kepenų ligomis, įvairiais vėžiniais susirgimais, autizmu, Parkinsono liga ir depresija, o daugeliu atvejų, tikriausiai, ir padeda jassukelti. Ir tai nėra baigtinis sąrašas.

 

Tokiu būdu žvelgti už 37 trn žinduolių ląstelių ribų gali būti mediciniškai vaisinga. Pavyzdžiui, daugiausia augalinės kilmės dieta skatina fibrolizines bakterijas, o turtinga mėsa teikia pirmenybę toms, kurios turi daug riebalų ir baltymų. Dėl šios priežasties augalinės dietos duoda tokių molekulių, kaip sviesto ir propiono rūgštys, kurios, kaip žinoma, reguliuoja uždegimą ir kitas imuninės sistemos funkcijas. Mėsos pagrindu gaminamos šakotosios grandinės riebalų rūgštys, fenoliai ir indolai, kurie turi daug blogo poveikio, įskaitant blogos širdies ir kraujagyslių sistemos rizikos veiksnius.

 

Daiktų taisymas holobionika

 

Pasėlių augintojai taip pat pradeda rimtai žiūrėti į holobionto koncepciją. „Indigo Ag“ lauko agentai Bostone, Masačusetso valstijoje, nustato retus išgyvenusius ūkininkų laukuose, pavyzdžiui, sausros ir užkrato, ir siunčia šiuos augalus tirti. Daroma prielaida, kad tokie išgyvenusieji turi kažką ypatingo. Pagrindinis Indigo spėjimas buvo tas, kad šis ypatingas dalykas dažnai yra rizosferoje.

 

Vykdydama šią mintį, įmonė rado – ir dabar parduoda – rizosferos organizmų, kurios suteikia medvilnei, kukurūzams, sojų pupelėms ir kviečiams atsparumo sausrai; gali pagerinti atsparumą grybams kukurūzuose, sojos pupelėse ir kviečiuose; apsisaugoti nuo nematodų užpuolimo; išlaisvinti iš dirvožemio fosforą ir kalį; ir „sutvarkyti“ atmosferos azotą, paversdami jį molekulėmis, tokiomis, kaip nitratai, iš kurių augalai gali gaminti aminorūgštis – baltymų statybines medžiagas.

 

Kita įmonė Pivot Bio iš Berklio, Kalifornijos, daugiausia dėmesio skiria azoto fiksavimui. „Pivot“ mokslininkai redagavo dviejų tipų azotą fiksuojančių bakterijų genus taip, kad jos toliau veiktų net tada, kai dirvožemyje jau yra daug, ir taip pat būtų daugiau fiksuoto azoto, nei įprastai. Pasodinus kartu su pasėliu, pvz., kukurūzais, šių bakterijų kokteilis kiekvienam daigui suteikia akimirksniu azotą fiksuojančią rizosferą. Tai gali sumažinti trąšų naudojimą penktadaliu.

 

Jeanas-Michelis Ané iš Viskonsino-Madisono universiteto, kuris, be kita ko, yra Pivot mokslinis patarėjas, turi dar dvi azoto kaupimo idėjas. Viena, stebint, kad ankštiniai augalai užaugina specialius šaknų mazgelius, kuriuose įsitvirtina azotą fiksuojančios bakterijos, yra pertvarkyti javų šaknis (pagrindinis taikinys yra ryžiai), kad išaugintų panašius mazgelius. Jis ir jo kolegos nustatė du ankštinių genų, kurie persodinti į tuopas (įprastą eksperimentinį augalą) sukelia augti ir mazgeliams.

 

Kita dr. Ané idėja paremta neįprastomis kukurūzų ir sorgų atmainomis, auginančiomis oro šaknis, kurios išskiria gelį, kuriame mėgsta gyventi azotą fiksuojančios bakterijos. Tada šis gelis nuvarva ant žemės, kur fiksuotą azotą sugeria augalo šaknys. Kalbant apie kukurūzus, jam ir jo kolegoms pavyko sukryžminti šią savybę turinčius augalus su komercinėmis veislėmis ir dabar yra penktoji juos augančių augalų karta.

 

Taip pat tiriami galvijai ir kiti gyvuliai. Jų į termitus panašios virškinimo sistemos per metus išskiria daugiau nei 100 mln. tonų metano, ty apie 6 % šiltnamio efektą sukeliančių dujų, už kurias atsakingi žmonės. Minėtas klaidas galima pažaboti, į galvijų pašarus įdedant vieną iš dviejų medžiagų – cheminės medžiagos, vadinamos 3-nitrooksipropanoliu, arba jūros dumblių, vadinamų Asparagopsis taxiformis. Iš tiesų, A. taxiformis pridėjimas ne tik sumažina metano išsiskyrimą, bet ir padidina pašarų konversiją į pieną ar mėsą.

 

Gamtosaugininkai taip pat mato pažadą, galvodami apie organizmus, kaip apie holobiontus. Tai yra daktaro Bello darbo apie varliagyvius motyvas. Tačiau kiti siekia padėti ištisoms ekosistemoms. Tiek miškai, tiek koraliniai rifai yra jautrūs temperatūrai, todėl jiems gresia visuotinis atšilimas. Žiūrėdami į savo narius, kaip į holobiontus, ekologai gali padėti jiems prisitaikyti.

 

Kaip ir Indigo mokslininkai, Cassandra Allsup, Isabelle George ir Richardas Lankau iš Viskonsino universiteto Madisono tyrinėjo dirvožemio mikrobus. Jie atrinko miškus savo gimtojoje valstijoje ir Ilinojaus pietuose. Išbandę įvairių rūšių sodinukus, auginamus netoli šio tarpo šiaurės ir pietų, kurie yra 5,8 platumos laipsniais vienas nuo kito, jie nustatė, kad sodinukai, užauginti dirvožemyje, užkrėstam bakterijomis iš panašaus klimato vietovių, augo greičiau, nei sodinukai dirvožemyje, kuriame yra skirtingų bakterijų. Nors skiepyti ištisus miškus nėra praktiška, jie tikisi, kad medelyne auginamų sodinukų, skirtų vietiniams miško atkūrimo projektams, apdorojimas gali padėti šiems medžiams išlikti.

 

Kaip ir žmonės, koralai yra ypač gerai ištirtas metaorganizmas. Jų turistus viliojančios spalvos gaunamos iš fotosintetinių protistų, vadinamų zooksantelėmis, gyvenančių specialiose sėslių gyvūnų ląstelėse, atsakingose už kalkakmenio, iš kurio gaminamos koralų galvos, išskyrimą, ir būtent jie aprūpina holobiontą didžiąją jo mitybos dalimi.

 

Šio susitarimo trūkumas yra tas, kad jei zooksantelės per daug įkaista, jų fotosintezės mechanizmai sugenda ir sukuria toksiškas deguonies turtingas molekules, vadinamas laisvaisiais radikalais. Tada koralų gyvūnai jas išstumia – tai reiškinys vadinamas balinimu. Jei sąlygos, laikui bėgant, normalizuojasi, gali įvykti kolonizacija. Tačiau per ilgai balinti koralai mirs.

 

Kai kurie žmonės bando įskiepyti atsparumą kylančiai temperatūrai, tvarkydami sistemos gyvūninės dalies genus. Tačiau Madeleine van Oppen iš Melburno universiteto Australijoje ir Raquel Peixoto iš Karaliaus Abdullah universiteto Saudo Arabijoje, vykdydami atskirus projektus, siekia pakoreguoti arba zooksanteles, arba kai kurias iš daugelio bakterijų, kurios taip pat yra holobionto dalis.

 

Tokia ekosistemų inžinerija reprezentuoja didelio masto holobioninį mąstymą. Ar tai nuves kur nors vaisingo, dar reikia pamatyti. Tačiau pats faktas, kad tai išvis vyksta, neabejotinai liudija idėją, kurios valanda atėjo." [1]

1. "The idea of 'holobionts' represents a paradigm shift in biology." The Economist, 17 June 2023, p. NA.