Don Batten
Z článku The adaptation of bacteria to feeding on nylon waste – přeložil M. T. – 6/2008
(první vydání článku: 12/2003)
Roku 1975 objevili japonští vědci bakterie, jež mohly přežívat na odpadních produktech továrny na nylon jako svého jediného zdroje uhlíku a dusíku /1/. Dva druhy, Flavobacterium sp. K172 a Pseudomonas sp. NK87, byly identifikovány jako druhy, jež rozkládají nylonové sloučeniny.
Jde o evoluci? Byly zjištěny nové, dosud neexistující geny?
Z tohoto objevu vyplynulo mnoho výzkumu k objasnění mechanizmu pro údajně nové schopnosti těchto bakterií /2/. Tři enzymy jsou zapojeny u Flavobacterium K172: F-EI, F-EII a F-EIII, a dva u Pseudomonas NK87: P-EI a P-EII. O žádném z nich se nevědělo, že by měl nějakou katalytickou aktivitu vůči přirozeně se vyskytujícím amidovým sloučeninám, což naznačuje, že tyto enzymy jsou zcela nové, ne pouze modifikované enzymy existující. A skutečně nebyla zjištěna žádná homologie s enzymy známými. Geny pro tyhle enzymy jsou umístěny na plasmidech /3/: plasmidu pOAD2 u Flavobacterium a dvou plasmidech, pNAD2 a pNAD6, u Pseudomonas.
Obránci materialismu se chytili těchto objevů jako příkladu evoluce nové informace náhodnými mutacemi a přírodním výběrem, například, Thwaites roku 1985 /4/. Thwaitesovy názory opakovali od té doby mnozí, aniž by respektovali nové poznatky a aniž by tyto názory kriticky zhodnotili.
Jsou tyto důkazy v souladu s náhodnými mutacemi generujícími nové geny?
Thwaites tvrdil, že nový enzym vznikl mutací posunutím čtecího rámce. Opíral to o výzkumný článek publikovaný rok předtím, než se takto vyjádřil /5/. Kdyby tomu tak bylo, pak by produkce enzymu opravdu byla náhodně šťastným výsledkem, připisovatelným „čiré náhodě“. Existují však dobré důvody k pochybám o tvrzení, že jde o příklad náhodných mutací a přírodního výběru generujících nové enzymy, nehledě už na extrémní nepravděpodobnost toho, že by k tomu došlo náhodou /6/.
Důkazy proti vysvětlení pomocí evoluce zahrnují:
1. Existuje pět transponovatelných prvků na plasmidu pOAD2. Jsou-li aktivovány, transpozázové enzymy jimi kodované způsobí genetickou rekombinaci. Stres vnějšího prostředí jako třeba vysoká teplota, vystavení jedu, či hladovění mohou aktivovat transpozázy. Přítomnost transpozáz v takovém množství na plasmidu naznačuje, že plasmid se má přizpůsobit, je-li bakterie stresována.
2. Všech pět transponovatelných prvků je stejných, každý se 764 páry bazí /bp/. To tvoří přes osm procent plasmidu. Jak by mohly náhodné mutace vyprodukovat tři nové katalytické /rozkladné geny (kodující EI, EII a EIII), aniž by byly alespoň učiněny nějaké změny na transponovatelných prvcích? Negoro spekuloval, že transponovatelné prvky byly určitě „pozdním přídavkem“ k plasmidům, protože se nezměnily. Neexistují však pro to jiné důkazy než dokazování v bludném kruhu, že prý náhodné mutace vygenerovaly ony tři enzymy a tak prý změnily geny transpozáz, byly-li ovšem v plasmidu od počátku. Dále, adaptace na trávení nylonu netrvá dlouho /viz bod 5 dále/, takže o přidání transponovatelných prvků dodatečně nelze seriozně uvažovat.
3. Všechny tři druhy genů odbourávajících nylon se vyskytují na plasmidech a jedině na nich. Žádný se nevyskytuje na hlavních bakteriálních chromozomech ani u Flavobacterium ani u Pseudomonas. To nesvědčí o nějakém náhodném původu těchto genů – šance, že se tak stane, je nízká. Je-li genom Flavobacterium velký asi dva miliony bp /7/, a plasmid pOAD2 zahrnuje 45519 bp, a kdyby existovalo řekněme 5 pOAD2 plasmidů na buňku (cca 10% celkové chromozomální DNA), pak šance, že se objeví všechny tři geny na plasmidu pOAD2, by činila asi 0.0015. Přidáme-li k tomu pravděpodobnost faktu, že geny odbourávající nylon u Pseudomonas jsou též jen na plasmidech, pravděpodobnost klesá na 2.3 x 10 na minus šestou. Jestliže se enzymy vyvinuté nezávislými laboratořemi při kontrolovaných pokusech s adaptací (viz bod 5, níže) také objevovaly jen jako aktivní na plasmidech (téměř jistě, ale ještě nepotvrzeno), pak přičítání vývoje adaptivních enzymů čistě náhodným mutacím se stává ještě nepravděpodobnějším.
4. Antisense sekvence DNA oněch čtyř nylonových genů zkoumaných u Flavobacterium i Pseudomonas postrádá jakékoli terminační kodony /8/. To se nejvíce projevuje u všech 1535 bazí. Pravděpodobnost, že se tak stane náhodou u všech čtyř antisense sekvencí je asi 1/10^12. A dále, gen EIII u Pseudomonas není očividně fylogeneticky příbuzný s geny EII u Flavobacterium, takže nepřítomnost terminačních kodonů u antisense sekvencí všech genů nemůže souviset s žádnou příbuzností genů samotných (či jejich předků). Také platí, že divoký druh plasmidu pOAD2 není nutný pro normální růst Flavobacterium, takže funkčnost u sekvencí rodičovské DNA divokého druhu by se nezdála být faktorem pro udržení otevřených čtecích rámců v genech samotných, natož pro antisense sekvence.
Některé výroky Yoma et al. vyjadřují jejich zděšení:
„Tyhle výsledky naznačují, že asi existuje nějaký neznámý mechanizmus mimo evoluci těchto genů pro enzymy odbourávající oligomery nylonu.“
„Přítomnost dlouhého NSF (nekonečného rámce) v sekvenci antisense se zdá být vzácností, ale může být způsobena neobvyklými vlastnostmi těchto genů či plasmidů pro odbourávání oligomerů nylonu.“
„V souladu s již řečeným nás nynější existence těchto NSF vede ke spekulaci, že v oblastech těchto genů existuje nějaký speciální mechanizmus.“
Vypadá to, že mezi iniciačními a terminačními kodony pro každou sekvenci se vyskytla rekombinace kodonů (tripletů párů bazí), nikoli jednotlivé páry bazí. To by zřejmě byla nejjednodušší cesta, jak by sekvence antisense mohla být chráněna před generováním terminačního kodonu. Mechanizmus pro takovou rekombinaci je neznámý, ale je vysoká pravděpodobnost, že jsou přítomny geny transpozázy.
Je zajímavé, že Yomo et al. též ukazují, že je krajně nepravděpodobné, aby kterýkoli z těchto genů vznikl mutací posunu čtecího rámce, protože takové mutace (progresivní či zvratné) by byly vygenerovaly spoustu terminačních kodonů. To vylučuje Thwaitesovo tvrzení, že funkční gen vznikl čistě náhodným procesem (shodou náhod).
5. Japonští badatelé ukázali, že schopnost odbourávat nylon můžeme navodit de novo u laboratorních kultur Pseudomonas aeruginosa (linie) POA, které původně neměly enzymy schopné odbourat oligomery nylonu (9). Dosáhli toho za pouhých devět dní! Rychlost téhle adaptace napovídá, že existuje speciální mechanizmus pro takové adaptace, ne že by k nim docházelo cestou tak nahodilou jako jsou náhodné mutace a přírodní výběr.
6. Vědci nebyli schopni určit žádný eventuální gen, který by předcházel genům odbourávajícím nylon. Tyto geny představují novou genovou rodinu. Zdá se, že to vylučuje genové duplikace coby zdroj surovin pro tyto nové geny.
P. aeruginosa je proslulá svou schopností adaptovat se na neobvyklé zdroje potravy – jako třeba toluen, naftalen, kafr, salicyláty a alkany. Tyhle schopnosti tkví v plasmidech známých jako TOL, NAH, CAM, SAL, resp. OCT (2). A co je zvláštní, netkví v chromozomu (mnoho příkladů odolnosti vůči antibiotikům též tkví v plasmidech).
Chromozom P. aeruginosa má 6,3 milionu párů bazí, což z něj činí jeden z nejdelších bakteriálních genomů dosud sekvenovaných. To, že je velkým genomem, znamená, že jen relativně nízký poměr mutací může být tolerován na příslušném chromozomu, jinak by následovala katastrofa způsobená chybami. Neexistuje způsob, jak by normální mutace na chromozomu mohly vygenerovat nový enzym za devět dní, a aby hypermutace na tom samém chromozomu by nevyústila v neživotaschopnou bakterii. Zdá se, že plasmidy jsou adaptivními prvky určenými k tomu, aby učinily bakterii schopnou adaptace na nové situace při zachování integrity hlavního chromozomu.
Stálost bakterií
O P. aeruginosa se poprvé zmínil Schroeter roku 1872 (10). A má stále tytéž vlastnosti, jež ji tak specificky určují. Takže navzdory tomu, že je tak všudypřítomná, tak hojná a tak rychle se přizpůsobuje, tahle bakterie se nevyvinula v jiný druh bakterie. Uvažte jen, že množství bakteriálních generací možných za více než 130 let je obrovské – rovná se desítkám miliónů let generací lidských, zahrnujících původ údajného společného předka lidoopů a člověka, podle evolučního příběhu, a snad dokonce i všechny primáty bez rozdílu. A přece tahle bakterie nevykazuje žádné známky jednosměrné změny – vládne stálost, ne progresivní evoluce. Už jen tohle by mělo vrhat pochybnosti na evoluční paradigma. O Flavobacterium se vědci poprvé zmínili roku 1889 a také ona má stále tytéž vlastnosti , které byly původně popsány.
Zdá se jisté, že plasmidy jsou inteligentně plánované rysy bakterií, jež umožňují adaptaci na nové zdroje potravy či odbourávání toxinů. Podrobnosti celého procesu ještě zbývá objasnit. Zatímní výsledky jasně hovoří pro to, že tyhle adaptace nevznikly náhodnými mutacemi, nýbrž díky inteligentně navrženému mechanizmu. Tento mechanizmus bude asi analogický způsobu, kterým obratlovci rychle vytvářejí nové účinné protilátky hypermutací při zrání beta-buněk, což ubírá na důvěryhodnosti hlavnímu schématu neodarwinovské evoluce (11).
Další výzkum podle mého názoru ukáže, že existuje promyšlený, neomezitelně složitý molekulární systém, který se podílí na adaptaci založené na plasmidech – důkazy hovoří jasně pro to, že takový systém existuje. Tento systém bude znovu a znovu, jako při dešifrování černé skříňky, hovořit pro inteligentní stvoření, ne náhodu. Pochopení tohoto systému adaptace by mohlo snadno způsobit průlom v kontrole nemocí, protože specifické inhibitory procesu přizpůsobování by mohly ochránit antibiotika před rozvojem odolnosti založené na plasmidech u cílových patogenních mikrobů.
Odkazy
- 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.
- Negoro, S., Biodegradation of nylon oligomers [review], Applied Microbiology and Biotechnology 54:461–466, 2000.
- 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.
- Thwaites, W.M., New proteins without God’s help, Creation/Evolution 5(2):1–3 (issue XVI), 1985..
- Ohno, S., Birth of a unique enzyme from an alternative reading frame of the preexisted, internally repetitious coding sequence, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 81:2421–2425, 1984.
- Truman, R., Protein mutational context dependence: a challenge to neo-Darwinism theory: part 1, TJ 17(1):117–127; Truman, R. and Heisig, M., Protein families: chance or design? TJ 15(3):115–127
- As of the date of writing, no Flavobacterium sp. genome has been sequenced.
- Yomo, T., Urabe, I. and Okada, H., No stop codons in the antisense strands of the genes for nylon oligomer degradation, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 89:3780–3784, 1992.
- Prijambada, I.D., Negoro, S., Yomo, T. and Urabe, I., Emergence of nylon oligomer degradation enzymes in Pseudomonas aeruginosa PAO through experimental evolution, Applied and Environmental Microbiology 61(5):2020–2022, 1995.
- Bacterial Nomenclature Up-to-date, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Germany. , 18 September 2003.
- Truman, R., The unsuitability of B-cell maturation as an analogy for neo-Darwinian Theory, March 2002; , 22 August 2003.