Azot jako gaz życia, czyli co może dać symbioza. Część 1: Porosty

Patrz też:
Organizmy mało znane: Porosty
Gwiezdna galareta i kamień filozoficzny

Wstęp: make love, not war

Zwykle myślimy o ewolucji w kategoriach konkurencji: dwie formy życia rywalizują o te same zasoby środowiska; lepiej przystosowana zyskuje, a gorzej przystosowana traci. Ale dobór naturalny może premiować nie tylko te cechy dziedziczne, dzięki którym organizmy odnoszą sukces reprodukcyjny kosztem innych, lecz także takie, które skłaniają swoich nosicieli do współpracy przynoszącej zysk przystosowawczy obu stronom. Dlatego istnieją organizmy społeczne (współpracujące w ramach jednego gatunku) i cała paleta odcieni symbiozy, czyli związku dwóch lub więcej gatunków opartego na wymianie usług zapewniającej wzajemną korzyść.

Częstym partnerem w związkach symbiotycznych są cyjanobakterie, zwane też sinicami – grupa bakterii, której poświęciłem kiedyś osobny wpis. Cyjanobakterie dokonały jednego z najważniejszych wynalazków w historii życia na Ziemi: zaawansowanej fotosyntezy, wykorzystującej energię fotonów światła słonecznego do wytwarzania związków organicznych z wody i dwutlenku węgla. W bardzo dawnej przeszłości – około dwóch miliardów lat temu – cyjanobakterie spokrewnione ze współczesnym rodzajem Gloeomargarita stały się endosymbiontami (symbiontami wewnątrzkomórkowymi) wspólnego przodka grupy Archaeplastida, do której należą – obok zielenic, krasnorostów i glaukofitów – wszystkie rośliny lądowe. Endosymbioza jest związkiem tak ścisłym, że może doprowadzić do zaniku odrębności partnerów. Cyjanobakterie wewnątrz komórki gospodarza utraciły zdolność do niezależnej egzystencji i przekształciły się w plastydy – organella odpowiedzialne za przeprowadzanie fotosyntezy (czyli między innymi roślinne chloroplasty). Pamiątką ich pochodzenia jest posiadanie własnego genomu, co prawda bardzo zubożonego, bo większość DNA plastydów została przeniesiona do jądra komórki gospodarza.

Dzięki kolejnym rundom endosymbiozy, w których rolę wewnątrzkomórkowych partnerów odgrywały zielenice lub krasnorosty, zdolność do fotosyntezy uzyskały rozmaite inne grupy organizmów: klejnotki, bruzdnice, brunatnice, okrzemki, złotowiciowce, haptofity, ochrofity itp. Należą one do różnych gałęzi ogromnego drzewa rodowego eukariontów (organizmów wyposażonych w jądro komórkowe), ale jeśli prześledzić historię ewolucyjną ich zdolności do fotosyntezy, zawsze prowadzi ona ostatecznie do cyjanobakteryjnego wspólnego przodka „baterii słonecznych” umożliwiających wiązanie węgla z zawartego w atmosferze CO2.

Współpraca eukariontów z sinicami nie była ani pierwszym, ani ostatnim przypadkiem endosymbiozy. Już wcześniej przedstawiciel innej grupy prokariontów, alfaproteobakterii, zintegrował się z komórką wspólnego przodka eukariontów, dając początek mitochondriom – organellom odpowiedzialnym za oddychanie komórkowe i syntezę adenozynotrójfosforanu (ATP), nośnika energii wykorzystywanej w procesach metabolicznych. Wizjonerską hipotezę o bakteryjnym pochodzeniu zarówno mitochondriów, jak i plastydów, początkowo odrzucaną przez większość badaczy, zaproponowała w 1966 r. Lynn Margulis. Była ona przez całe życie badaczką ekscentryczną i wiele z propagowanych przez nią poglądów wzbudzało uzasadnioną krytykę; niemniej jednak zapoczątkowana przez nią teoria endosymbiozy nie tylko została po latach potwierdzona i powszechnie zaakceptowana, ale zrewolucjonizowała zrozumienie kilku przełomowych wydarzeń w historii życia na Ziemi.

Chciałbym na kilku przykładach pokazać, jak wygląda droga od luźnej symbiozy do nierozerwalnego związku, którego ukoronowaniem jest zintegrowanie komórek gospodarza i jego symbiotycznego partnera. Skupię się na przypadkach, gdy symbiontem jest cyjanobakteria. Gospodarzami zaś będą kolejno: grzyb, roślina i haptofit (czym są haptofity, wyjaśnię we właściwym czasie).

Pawężnice i ich partnerzy strategiczni

Pawężnica (Peltigera) to rodzaj grzybów należący do gromady workowców (Ascomycota), a w jej obrębie do klasy miseczniaków (Lecanoromycetes). Miseczniaki są grupą wielką: wśród wszystkich klas grzybów zajmują trzecie miejsce pod względem liczebności; opisano dotąd ok. 14 tys. gatunków, przy czym liczba ta stale rośnie i niewątpliwie długo jeszcze będzie rosła w miarę postępu badań. Około 95% miseczniaków to grzyby porostowe. Czym są porosty, pisałem już przy innych okazjach (na przykład tutaj i tutaj), tu przypomnę tylko krótko: porost to układ symbiotyczny, w którym głównym partnerem (gospodarzem) jest grzyb, a pozostali partnerzy są mikroorganizmami, z których przynajmniej jeden, zwany fotobiontem, uprawia fotosyntezę. Zapewnia to porostom samożywność: fotobiont produkuje cukry, którymi odżywia się grzyb. Gospodarz w zamian oferuje partnerowi komfortowe warunki życia: strzępki grzyba tworzą plechę, która osłania kolonie fotobionta, chroniąc je np. przed kaprysami pogody i nadmiarem promieniowania słonecznego (zwłaszcza w zakresie nadfioletu) oraz ułatwiając im zaopatrzenie w mineralne składniki odżywcze. Najczęściej fotobiontem jest któraś z jednokomórkowych zielenic żyjących w środowiskach lądowych, ale drugą najpopularniejszą opcją jest korzystanie z usług cyjanobakterii.

Ryc. 1.

Rodzaj Peltigera obejmuje około 90 opisanych i nazwanych gatunków, sporą liczbę gatunków wstępnie rozpoznanych na podstawie badań molekularnych, choć jeszcze nieuznanych formalnie, i z pewnością wiele takich, które dopiero czekają na odkrycie. W Polsce, według oficjalnego wykazu, występuje 21 gatunków pawężnic (w mojej najbliższej okolicy znalazłem dotąd trzy). Mają one charakterystyczny wygląd: ich duża plecha składa się z szerokich, listkowatych odcinków przylegających do podłoża, często tworzących okrągłe rozety. Pawężnice mogą rosnąć – w zależności od gatunku – na ziemi lub na mchu, rzadziej na skale lub na korze drzew, a w kilku przypadkach nawet na kamieniach zanurzonych w strumieniu. Wspólny przodek całego rodzaju żył kilkadziesiąt milionów lat temu, a jego fotobiontem było już wtedy trzęsidło (Nostoc sp.), pospolita cyjanobakteria, którą, o dziwo, dobrze widać gołym okiem, bo tworzy na wilgotnym gruncie duże kolonie. W obrębie kolonii komórki trzęsidła układają się w długie nici (patrz ryc. 2), otoczone żelowatą pochwą zbudowaną z wydzielanych przez bakterie polisacharydów. I tu uwaga: oprócz zwykłych, niezróżnicowanych komórek bakteryjnych kolonia zawiera także wyspecjalizowane komórki przetrwalnikowe i tzw. heterocysty, czyli komórki pozbawione zdolności do fotosyntezy, ale za to ujawniające inną supermoc: umiejętność wiązania azotu atmosferycznego (N2) i przekształcania go w amoniak (NH3).

Ryc. 2.

Dlaczego jest to ważne? Bo cząsteczkowy azot jest w normalnych warunkach gazem niemal obojętnym chemicznie. Dwa atomy tworzące cząsteczkę N2 połączone są potrójnym wiązaniem kowalencyjnym (N≡N), współdzieląc sześć elektronów. Takie wiązanie jest wyjątkowo silne, zatem niełatwo je rozerwać. Mogą w tym pomóc enzymy z rodziny nitrogenaz, katalizujące reakcję przemiany azotu cząsteczkowego w amoniak. Jest to proces redukcji, o korzystnym bilansie energii, nie zachodzi jednak samoistnie, bo na przeszkodzie stoi bardzo wysoka energia aktywacji (wynikająca z siły wiązania N≡N). Obecność enzymu obniża tę barierę, dzięki czemu reakcja może zachodzić w zwykłym zakresie temperatur i ciśnień. A ponieważ amoniak jest aktywny chemicznie, może być następnie wykorzystany w szlakach syntezy złożonych związków organicznych. Nitrogenazy to kompleksy kilku białek z udziałem kofaktora zawierającego żelazo i molibden, rzadziej wanad. Potrafią je syntetyzować tylko niektóre bakterie i archeowce. Enzymy te umożliwiają swoim posiadaczom pozyskiwanie azotu wprost ze wszechobecnego źródła – atmosfery Ziemi, zawierającej objętościowo 78% N2.1

Dawną francuską nazwę azote (zapożyczoną do języka polskiego jako azot) utworzył Antoine Lavoisier, inspirując się greckim przymiotnikiem ázōtos ‘uniemożliwiający życie’. To prawda, że azotem nie da się oddychać, nazwa nie była jednak zbyt trafna, bo azot jest jednym z najważniejszych pierwiastków umożliwiających życie – o czym w czasach Lavoisiera jeszcze nie wiedziano. Wchodzi on w skład wszystkich bez wyjątku aminokwasów, czyli cegiełek, z których zbudowane są białka, wszystkich nukleotydów, czyli podstawowych składników DNA i RNA, a także wspomnianego wyżej ATP i wielu innych ważnych związków. Ciało ludzkie zawiera średnio prawie 2 kg azotu. Dostaje się on do obiegu biologicznego częściowo dzięki wyładowaniom elektrycznym podczas burz. Ich energia umożliwia zerwanie potrójnego wiązania w cząsteczce N2 i reakcję atomowego azotu z tlenem. Powstają w ten sposób tlenki azotu i jony azotanowe, które dostają się do gleby i mogą być przyswajane przez rośliny czy grzyby, a za ich pośrednictwem trafiają do łańcucha pokarmowego zwierząt. Ale wielokrotnie więcej azotu trafia do biosfery dzięki bakteriom i archeowcom wyposażonym w nitrogenazy. Są one głównymi dostawcami związków azotu przyswajanych przez inne istoty żywe. A kto potrafi się z nimi zaprzyjaźnić, uzyskuje uprzywilejowany dostęp do azotu.

Symbiotyczne cyjanobakterie hodowane przez pawężnicę wewnątrz plechy nie tylko dostarczają gospodarzowi produktów fotosyntezy (cukrów), ale ponadto, dzięki heterocystom wchodzącym w skład ich kolonii, są źródłem przyswajalnych związków azotu pobieranego wprost z powietrza. Trzeba tu zauważyć, że związek grzybów porostowych z fotobiontami jest stosunkowo luźny. Nie jest to endosymbioza, tylko partnerstwo dwóch lub więcej organizmów zachowujących swoją autonomię. W ewolucji porostów zdarzały się wielokrotnie przypadki rezygnacji z fotobionta i powrotu do charakterystycznej dla grzybów cudzożywności. Zdarzała się też wymiana fotobionta na „nowszy model”.

Zmiana partnera, choć nie do końca

Grzyby porostowe, jak przystało na członków królestwa Fungi, mają skomplikowane cykle reprodukcyjne. Mogą się rozmnażać płciowo za pomocą zarodników albo wegetatywnie za pomocą specjalnych rozmnóżek, zwanych (w zależności od formy) sorediami (urwistkami) lub izydiami (wyrostkami). Zarodniki zawierają wyłącznie DNA grzyba, natomiast rozmnóżki to małe „pakiety startowe”, złożone z komórek symbionta w opakowaniu ochronnym utworzonym przez tkankę grzyba. Jeśli trafią na odpowiednie podłoże, rozwija się z nich klonalna kopia grzyba rodzicielskiego współpracująca z tym samym symbiontem. Innymi słowy – rozmnażanie bezpłciowe sprzyja utrzymaniu ścisłego związku z konkretnym partnerem. Natomiast młody grzyb rozwijający się z zarodników (w przypadku grzybów porostowych jest to proces wciąż słabo zbadany) musi znaleźć w swoim środowisku właściwego fotobionta i zachęcić go do współpracy. Może się przy tym zdarzyć, że udaje się wejść w związek symbiotyczny ze szczepem lub gatunkiem mikroorganizmu innym niż ten, z którym współpracowały wcześniejsze pokolenia. Na przykład pewna grupa blisko z sobą spokrewnionych gatunków pawężnic zrezygnowała z usług cyjanobakterii jako głównego partnera fotosyntetyzującego i przyjęła na jej miejsce zielenicę z rodzaju Coccomyxa.

Ryc. 3.

Zapewne zielenica dobrze się sprawdza jako fotobiont, ale jednego nie potrafi: wiązać azotu atmosferycznego. Tymczasem pawężnice uzależniły się od zdolności, która pozwala im kolonizować podłoża ubogie w związki azotu, na przykład nagie skały, nieurodzajne gleby piaszczyste i wydmy, a jednocześnie czyni z nich jedne z najszybciej rosnących porostów.2 Dlatego pawężnice, które dokonały wymiany, nie pozwoliły sobie na całkowite odrzucenie cyjanobakterii. Górna powierzchnia ich plechy usiana jest brodawkowatymi strukturami, tzw. cefalodiami, w których żyją kolonie sinicy, odgrywając rolę trzeciego partnera układu symbiotycznego (Peltigera/Coccomyxa/Nostoc). Ich zadaniem jest zaopatrywać cały układ w przyswajalny azot, podczas gdy fotosyntezę (czyli wiązanie węgla z CO2) bierze na siebie zielenica.

Jak dowodzą badania filogenomiczne, pawężnica jabłkowata (P. malacea) należy do kladu, którego wspólny przodek zastąpił cyjanobakterie zielenicami. Jednak gatunek ten nie ma cefalodiów, a jego plecha zawiera cyjanobakterie Nostoc. Jest to szczep inny niż te, które występują w cefalodiach najbliższych kuzynów P. malacea, ale blisko z nimi spokrewniony. Wygląda więc na to, że pawężnica jabłkowata zmieniła zdanie: pozbyła się zielenic i zastąpiła je cyjanobakteriami zachowanymi w cefalodiach. Oczywiście ponieważ sinice wiążą zarówno węgiel, jak i azot, cefalodia stały się zbędne i P. malacea utraciła je wtórnie, upodabniając się do większości pawężnic − tych, które nigdy nie zawierały związku z zielenicami. Gdyby nie dane molekularne, nie bylibyśmy świadomi jej bliskiego pokrewieństwa np. z pawężnicą brodawkowatą (P. aphthosa) o powierzchni jasnozielonej, gdy jest mokra, i nakrapianej cefalodiami (patrz ryc. 3), co świadczy o przynależności do porostów „trójskładnikowych”.3

O tym, że symbioza jest dobrym sposobem na życie, świadczy sukces ewolucyjny organizmów, które ją uprawiają. Szacuje się, że około jedna piąta gatunków grzybów tworzy porosty, a zatem korzysta z dobrodziejstw fotosyntezy dzięki uprzejmości symbiotycznych mikroorganizmów. Spośród nich ok. 10% wykorzystuje sinice jako fotobionty, ma zatem potencjalną zdolność do asymilacji azotu cząsteczkowego. Można więc stwierdzić bez wielkiej przesady, że dzięki symbiozie grzyby porostowe takie jak pawężnice mogą się odżywiać powietrzem, a przy okazji odgrywać ważną rolę ekologiczną jako pośrednicy wprowadzający azot do obiegu w świecie żywym.

Apetyt na azot

Prócz sinic także inne bakterie potrafią wiązać azot z atmosfery. Każdy, kto uważał na lekcjach biologii, powinien wiedzieć, że niemal wszystkie rośliny bobowate (Fabaceae), zwane też motylkowatymi, posiadają brodawki korzeniowe zawierające bakterie azotowe (wiele różnych rodzajów należących do różnych grup systematycznych). Bakterie te nie tylko zaopatrują swojego gospodarza w przyswajalne związki azotu, ale zasilają nimi także ziemię wokół korzeni. Dzięki temu bobowate są szeroko wykorzystywane jako „żywy nawóz” do użyźniania wyjałowionej gleby. Rodzina Fabaceae obejmuje ok. 20 tys. gatunków, co dobitnie świadczy o korzyściach z „samonawożenia”. Bakterie tworzące brodawki korzeniowe bobowatych (a także niektórych innych roślin okrytonasiennych) nie mają zdolności do fotosyntezy, ale ma ją roślina będąca ich gospodarzem. Może ona dzięki temu dokarmiać swoje korzeniowe symbionty związkami węgla, które sama syntetyzuje – notabene dzięki chloroplastom pochodzącym od pradawnych cyjanobakterii.

W kolejnym odcinku przyjrzymy się bliskiej współpracy sinic – nie tych sprzed dwóch miliardów lat, ale tych, które istnieją nadal jako odrębne organizmy – z niektórymi roślinami. Wskutek osobliwego zbiegu okoliczności skutki tej współpracy odczuła cała planeta.

Przypisy

  1. Azot cząsteczkowy i wodór cząsteczkowy można połączyć w amoniak metodą opracowaną w laboratorium przez Fritza Habera w 1909 r. i udoskonaloną oraz rozwiniętą w proces przemysłowy przez Carla Boscha kilka lat później. Na metodzie Habera i Boscha opiera się współczesna produkcja nawozów sztucznych, prowadzona na ogromną skalę. Aby jednak reakcja połączenia azotu z wodorem mogła zajść, potrzebne jest ciśnienie ok. 200 atm, obecność katalizatora (zwykle jest to specjalnie spreparowane czyste żelazo z dodatkiem promotorów zwiększających jego aktywność) i temperatura 400−450°C, której wymaga katalizator. Prokarionty wiążące azot nie mają takich wymagań technicznych. ↩︎
  2. Rodzaj Peltigera odznacza się największą różnorodnością w Eurazji i Ameryce Północnej, ale rozprzestrzenił się także na pozostałe kontynenty, a przez Amerykę Południową dotarł nawet do Półwyspu Antarktycznego. Kilkanaście gatunków występuje na Grenlandii. W strefie tropikalnej pawężnice żyją głównie w górach. ↩︎
  3. Upraszczam nieco opis porostów, które tworzą mini-ekosystemy mogące zawierać większą liczbę uczestników symbiozy. Kiedy mówimy o dwóch lub trzech symbiontach, mamy na myśli tylko najbardziej istotne gatunki tworzące porost. ↩︎

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Pawężnica rudawa (Peltigera rufescens), przykład porostu dwuskładnikowego (jedynym fotobiontem jest cyjanobakteria Nostoc sp.). Widoczne są wzniesione nad plechą owocniki (apotecja) przypominające kształtem siodła, służące do rozmnażania płciowego (produkujące zarodniki). Foto: Piotr Gąsiorowski 2022. Lokalizacja: piaszczyste nieużytki w okolicy Czerwonaka, Wielkopolska (licencja CC BY-NC-SA 3.0).
Ryc. 2. Trzęsidło (Nostoc sp.), cyjanobakteria będąca w istocie organizmem wielokomórkowym. Wśród zwykłych (fotosyntetyzujących) komórek wegetatywnych tworzących nici widoczne są heterocysty odpowiedzialne za wiązanie azotu atmosferycznego. Foto: rmatth. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC-SA 3.0).
Ryc. 3. Pawężnica brodawkowata (Peltigera aphthosa), przykład porostu trójskładnikowego. Fotobiontem jest zielenica Coccomyxa. Widoczne na zdjęciu cefalodia (ciemne brodawki na powierzchni plechy) zawierają cyjanobakterie Nostoc sp., zapewniające porostowi zaopatrzenie w przyswajalne związki azotu. Gatunek rzadki w Polsce, występujący tylko w górach; podlega ścisłej ochronie gatunkowej. Foto: bienchen 2022. Lokalizacja: Elliot Lake, Ontario (Kanada). Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC 4.0).

Lektura dodatkowa

Projekt Peltigera, Lutzoni Lab, Duke University, Durham, Karolina Północna (USA): https://lutzonilab.org/peltigera/project/
Struktura i działanie nitrogenazy: https://pdb101.rcsb.org/motm/26

Nerka świni przeszczepiona człowiekowi: sukces po niepowodzeniach?

Miniaturowa świnia. Źródło: Wikimedia Commons, Fcobmz. Licencja CC BY 4.0.

Zapotrzebowanie na narządy do przeszczepów znacznie przekracza liczbę ich dawców. I tak w USA 90 000 osób czeka na przeszczep nerki, z czego ponad 3000 rocznie umiera. Dlatego od lat myśli się o przeszczepianiu narządów od zwierząt, przy czym najlepszym kandydatem jest miniaturowa świnia (na zdjęciu).  Dlaczego miniaturowa? Bo jej masa ciała (ok. 70 kg) jest zbliżona do masy człowieka, tak więc organy wewnętrzne (nerka, wątroba, serce) są też podobnej wielkości. Taki przeszczep nazywa się ksenoprzeszczepem, ale jego powodzenie zależy od dwóch czynników: podobnie jak inne gatunki ssaków, świnia ma antygeny powierzchniowe, które są rozpoznawane przez przeciwciała człowieka. Wymaga to modyfikacji genetycznych polegających na usunięciu lub wyciszeniu genów kodujących takie antygeny.

Po drugie, świnia (podobnie jak każde inne zwierzę) może być nosicielem wirusów. Takie wirusy mogą przechować się w narządzie przeszczepionym człowiekowi i zaatakować nowego gospodarza. Tak stało się w przypadku pierwszego przeszczepu serca świni, który miał miejsce w 2022 r. Pacjent zmarł po 40 dniach z powodu zaburzeń układu krzepnięcia krwi, spowodowanych pośrednio przez świński cytomegalowirus obecny w komórkach przeszczepionego serca. U człowieka wirus ten może powodować chorobę nazywaną cytomegalią, na którą chorują głównie niemowlęta. Jeżeli jednak nasz układ odpornościowy nie jest upośledzony, to cytomegalowirus nie czyni na ogół specjalnych szkód. Pacjentom z przeszczepionymi narządami podaje się jednak leki obniżające odporność, są więc oni szczególnie narażeni na zakażenia wirusami.

Kolejna próba przeszczepienia narządu od świni człowiekowi miała miejsce 16 marca 2024 r. Lekarze z Massachusetts General Hospital w Bostonie przeszczepili 62-letniemu pacjentowi nerkę od genetycznie modyfikowanej miniaturowej  świni rasy Yucatan. Na czym polegała ta genetyczna modyfikacja?

Geny, które usunięto

Największy problem podczas przeszczepiania narządów stwarzają cukry (oligosacharydy), których nie ma u człowieka. Ponieważ stykamy się z takimi cukrami, np. w postaci elementów bakterii żyjących w naszym przewodzie pokarmowym, to wytwarzamy przeciwciała które je rozpoznają. Tak właśnie dzieje się w przypadku grup krwi A/B/AB/O, które też są cukrami. Dlatego osoby z antygenami A produkują przeciwciała anty-B i vice versa. Świnie rasy Yucatan, od których pochodziła przeszczepiona nerka, mają akurat grupę O, więc ludzkie przeciwciała anty-A/B nie powinny stwarzać problemów. Ale te świnie, podobnie jak inne zwierzęta, mają inne antygeny cukrowe nieobecne u ludzi, i to właśnie tych antygenów nie może być w przeszczepianych narządach. Są trzy takie cukrowe ksenoantygeny (czyli antygeny obce gatunkowo):

Galaktoza α1→3

Galaktoza przyłączona wiązaniem α1→3 do innej galaktozy to najważniejszy ksenoantygen związany z przeszczepami. Występuje na powierzchni komórek większości organizmów, w tym u bakterii i protistów, a także ssaków, w tym małp Nowego Świata (Platyrrhini, małpy szerokonose występujące w Ameryce Południowej i Środkowej). Antygen ten jest natomiast nieobecny u małp wąskonosych (Catarrhini), czyli małp Starego Świata, w tym człekokształtnych wraz z ludźmi. Antygen Galα1→3Gal powstaje w wyniku reakcji katalizowanej przez enzym o nazwie α1,3-galaktozylotranferaza (kodowana przez gen GGTA1). Mutacja powodująca, że białko u ludzi i małp wąskonosych jest nieaktywne, miała miejsce ok. 28 milionów lat temu. Uważa się, że stało się tak w wyniku presji ewolucyjnej ze strony patogenów, w tym chorobotwórczych bakterii (Neisseria, Klebsiella i Salmonella), a także protistów z rodzajów Trypanosoma i Plasmodium (Ryc. 1).

Ryc. 1. Powstawanie antygenu Galα1-3 (czerwony kolor). Źródło: Suchanowska A. et al., Post. Hig. Med. Dośw. 2009, 63: 250-257. Licencja CC BY 4.0.

Kwas N-glikoliloneuraminowy

Na powierzchni komórek większości zwierząt występuje kwas N-glikoliloneuraminowy. Należy on do grupy cząsteczek nazywanych kwasami sjalowymi (od saliva, czyli ślina po łacinie). Powstaje on z kwasu N-acetyloneuraminowego w wyniku przyłączenia grupy -OH, katalizowanej przez enzym o nazwie hydroksylaza kwasu CMP-N-acetyloneuraminowego (CMAH). Enzym ten jest nieaktywny u ptaków i ryb, a wśród ssaków m.in. u człowieka, małp Nowego Świata, niektórych nietoperzy, jeża i fretki. Dlatego kwas sjalowy u tych gatunków nie ma grupy -OH. Mutacja powodująca utratę aktywności miała miejsce u przodków człowieka ok. 2-3 miliony lat temu, prawdopodobnie w wyniku presji ze strony zarodźców z rodzaju Plasmodium powodujących malarię. Podobnie jak w przypadku antygenu Galα1→3Gal, organizmy mające tylko kwas N-acetyloneuraminowy (w tym ludzie) produkują przeciwciała rozpoznające kwas N-glikoliloneuraminowy (Ryc. 2).

Ryc. 2. Dwa rodzaju kwasów sjalowych: N-acetyloneuraminowy i N-glikoliloneuraminowy. U człowieka występuje tylko kwas N-acetyloneuramionowy. Grupę -OH zaznaczono czerwonym kółkiem. Według: Burzyńska P. et al. Biomolecules 2021, 11: 831. Licencja CC BY 4.0.

N-acetylogalatozamina β1→4

Nazywany też antygenem Sd. Powstaje w wyniku przyłączenia N-acetylogalatozaminy β1→4 do galaktozy, katalizowanego przez enzym o nazwie  β1,4-N-acetylogalaktozaminotransferaza 2 (B4GALNT2). Mutacje w genie kodującym ten enzym powodują, że jest nieobecny u ok. 1% ludzi (ale inne ssaki go mają). Takie osoby mają grupę krwi Sd(a-), w odróżnieniu od osób z grupą krwi Sd(a+), kiedy antygen ten jest obecny. Jest to podstawa układu grupowego krwi Sd. Większość osób Sd(a-) ma przeciwciała anty-Sd (Ryc. 3).

Ryc. 3. N-acetylogalaktozamina β1→4 (zaznaczona niebieskim kółkiem). Według: Groux-Degroote S. et al., ChemBioChem 2021, 22: 3381. Licencja CC BY 4.0.

Obecność trzech wymienionych antygenów cukrowych na powierzchni komórek narządów zwierzęcych może powodować zjawisko znane jako odrzucenie przeszczepu spowodowane przez przeciwciała. Dlatego konieczne jest „unieszkodliwienie” genów kodujących białka odpowiedzialne za powstawanie tych antygenów. Zrobiono to za pomocą powszechnie ostatnio stosowanej metody CRISP-Cas9 (to temat na osobny wpis).

Geny, które dodano

W zasadzie usunięcie genów kodujących trzy antygeny cukrowe powinno wystarczyć, żeby nerka świni mogła być przeszczepiona człowiekowi, ale układ odpornościowy człowieka może zawsze w obcej tkance rozpoznać coś, czego nie jesteśmy w stanie przewidzieć.  Dlatego świnia-dawca została zmodyfikowana poprzez wstawienie siedmiu ludzkich genów. Były to m.in. geny kodujące białka hamujące stan zapalny, aktywację układu krzepnięcia krwi i aktywację układu odpornościowego.

Wirusy, które unieszkodliwiono

Aby zminimalizować możliwość aktywacji wirusów, których DNA może być obecne w przeszczepianym narządzie, usunięto 59 sekwencji kodujących sekwencje wirusowe. Były to przeważnie fragmenty DNA kodujące świńskie retrowirusy endogenne (porcine endogenous retroviruses, PERV). Podobnie jak u człowieka, są to wirusy RNA, które dzięki enzymowi o nazwie odwrotna transkryptaza mają zdolność do przepisywania informacji genetycznej z RNA na DNA, który następnie zostaje włączony do genomu gospodarza. Takie wirusy miliony lat infekowały komórki rozrodcze ssaków, a dziś ich sekwencje stanowią kilka procent genomu. Świnie mają co najmniej 50 rodzajów sekwencji PERV; można je podzielić na trzy grupy: PERV-A, B i C. Wiadomo, że wirusy PERV-A i B mogą zakażać ludzkie komórki. Większość z tych sekwencji jest nieaktywna, ale niektóre mogą kodować wirusy zdolne do zakażania, zwłaszcza w sytuacji, kiedy narząd świni znajdzie się w organizmie innego gatunku. Może też mieć miejsce rekombinacja dwóch nieaktywnych sekwencji, czego skutkiem może być aktywny wirus. Dlatego korzystając ze wspomnianej  technologii CRISP-Cas9  z genomu świni usunięto sekwencje PERV (Ryc. 4).

Ryc. 4. Cykl życiowy endogennnych świńskich wirusów (PERV). Według: Łopata K. et al., Fr. Microbiol. 2018, 9: 730. Licencja CC BY 4.0.

Co dalej? Miejmy nadzieję, że nic złego się nie przydarzy i pacjent z przeszczepioną nerką świni przeżyje jeszcze wiele lat. Jeżeli tak się stanie, będzie to prawdziwy przełom w transplantologii.

Literatura dodatkowa

Pierwszy przeszczep świńskiej nerki

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00879-y

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06594-4

Śmierć pacjenta z przeszczepionym sercem świni

https://www.technologyreview.com/2022/05/04/1051725/xenotransplant-patient-died-received-heart-infected-with-pig-virus/

Antygen Galα1→3Gal

https://phmd.pl/resources/html/article/details?id=51663&language=en

Kwas sjalowy

https://www.mdpi.com/2218-273X/11/6/831

Świńskie wirusy endogenne

https://www.frontiersin.org/journals/microbiology/articles/10.3389/fmicb.2018.00730/full

      Maleńka bakteria i gigantyczne białko

      Tytyna jak sprężyna

      Oficjalnie największym znanym białkiem jest tytyna, pełniąca niesłychanie ważną rolę molekularnej „sprężynki” odpowiadającej za kurczliwość mięśni poprzecznie prążkowanych u kręgowców. Bez tytyny nie ruszylibyśmy ręką ani nogą i nie biłoby nasze serce. U innych zwierząt występują białka pokrewne i pełniące podobne funkcje, ale akurat u kręgowców tytyna rozciągnęła się wyjątkowo: jej molekuła ma ponad 1 μm (mikrometr) długości. Gen TTN, kodujący tytynę u człowieka, jest oczywiście odpowiednio olbrzymi. Składa się z rekordowej liczby 363 eksonów, czyli odcinków DNA kodującego, poprzedzielanych niekodującymi intronami. Po przepisaniu genu na RNA, czyli transkrypcji, introny zostają wycięte, a eksony sklejone w jedną całość. Proces ten nazywamy splicingiem; jego wynikiem jest nić informacyjnego RNA (mRNA) zawierająca pełny kod białka, które ma zostać zsyntetyzowane w procesie translacji.

      Transkrypty niektórych genów mogą być składane w różny sposób, tworząc matryce do tworzenia różnych białek. Takie zjawisko nazywamy splicingiem alternatywnym. Może on polegać na pominięciu niektórych eksonów (to najczęstsza forma splicingu alternatywnego u zwierząt) albo na pozostawieniu któregoś z intronów. W ten sposób jeden gen może potencjalnie kodować wiele białek. Z właściwym splicingiem alternatywnym mamy do czynienia wtedy, kiedy wszystkie jego produkty są funkcjonalne. Trzeba go odróżnić od błędów splicingu, gdy wskutek niewłaściwego złożenia mRNA powstaje białko niefunkcjonalne lub wręcz upośledzające metabolizm komórki, przed czym oczywiście organizm stara się bronić.

      Ryc. 1.

      Tytyna składa się z dwustu kilkudziesięciu liniowo uszeregowanych domen, czyli niezależnie formowanych modułów funkcjonalnych. Niemal wszystkie z nich należą do dwóch typów – immunoglobuliny lub fibronektyny. Każdy z tych dwóch rodzajów występuje w liczbie ponad stu kopii. Tytyna wyewoluowała dzięki licznym duplikacjom (podwojeniom) pradawnego genu kodującego pierwotnie krótki ciąg domen. Większość domen nadal kodowana jest przez jeden ekson. Fakt ten sprzyja współistnieniu wielu wariantów tytyny powstających dzięki splicingowi alternatywnemu. Tworzone są one w sposób kontrolowany (czyli nie omyłkowo) i różnią się głównie długością – zależną od tego, które eksony i w jakiej liczbie są pomijane – i mechaniczną elastycznością, dlatego znajdują zastosowanie w różnych typach mięśni. Forma „kanoniczna” (podstawowa) ludzkiej tytyny zawiera 34 350 aminokwasów. Jej odpowiedniki u innych gatunków ssaków, na przykład u myszy, mogą być nawet nieco dłuższe. Gen TTN koduje jeszcze więcej, bo ponad 38 tys. aminokwasów, ale w każdym ze znanych wariantów białka część sekwencji kodujących zostaje pominięta.

      Ryc. 2.

      Tytyna jest zatem białkiem niezwykle długim, ale dość monotonnym – sekwencją naprzemiennie ułożonych, powtarzalnych modułów. Jej systematyczna nazwa chemiczna w języku angielskim ma prawie 190 tysięcy liter i potrzeba kilku godzin, żeby ją w całości odczytać na głos, nie jest to jednak lektura szczególnie fascynująca (a nazwa tytyna jest poręczniejsza). Ludzki gen TTN (eksony wraz z intronami) zajmuje odcinek o długości ponad 300 tysięcy par zasad na chromosomie 2. W każdym razie Księga Rekordów Guinnessa odnotowuje tytynę jako największe znane białko. Czy słusznie?

      To zależy, jak interpretujemy słowo znane. Tytyna jest rekordzistką, jeśli chodzi o białka szczegółowo zbadane, figurujące w specjalistycznych bazach danych. Ale wiemy też, że z prawdopodobieństwem graniczącym z pewnością istnieją białka jeszcze większe.

      Mikroorganizmy i supergeny

      O dziwo, na ich trop wpadli badacze zajmujący się jednymi z najmniejszych bakterii. Już wcześniej zauważono, że w kilku grupach bakterii, a także u niektórych archeowców (o tym, czym są archeowce, pisałem tutaj i tutaj) występują geny kodujące białka praktycznie równie wielkie jak tytyna. Na przykład jeden z genów bakterii Chlorobium chlorochromatii (należącej do typu Chlorobiota, czyli zielonych bakterii siarkowych) koduje białko złożone z 36 806 aminokwasów. Wydaje się jednak, że wielkie geny występują szczególnie często u bakterii z grupy nazwanej Omnitrophota. Dokładniej mówiąc, jest to typ Ca. (Candidatus) Omnitrophota. Tak oznacza się proponowane jednostki taksonomiczne dobrze scharakteryzowane, ale obejmujące bakterie niezbadane szczegółowo, bo niedające się wyizolować i hodować w laboratorium. Określa się je często jako „ciemną materię” mikroświata. Wiemy, że jest jej mnóstwo, znamy wyrywkowo niektórych jej przedstawicieli, ale ogólnie jest to nadal terra incognita – teren przyszłych odkryć.

      Ryc. 3.

      O Omnitrophota wiadomo dość dużo z badań metagenomowych (czyli z analiz materiału genetycznego wyodrębnianego z różnych nisz ekologicznych), ale dopiero niedawno udało się podejrzeć niektóre z nich pod mikroskopem i utrzymać w warunkach laboratoryjnych. Z tego, co wiemy, jest to grupa różnorodna i bogata w gatunki, występująca praktycznie wszędzie w niezbyt zasolonych środowiskach beztlenowych: w wodach hydrotermalnych gejzerów i kraterów wulkanicznych, w glebie wokół korzeni roślin, w wodach gruntowych, w mulistych osadach, bagnach, ściekach, a nawet w jeziorach ukrytych pod lodami Antarktydy. Okazy, które udało się zaobserwować bezpośrednio, mają wielkość 200–300 nm (0,2–0,3 μm), czyli są niezwykle miniaturowe nawet jak na bakterie. Zarówno z tych obserwacji, jak i z analizy ich genów, wynika, że są to bakterie drapieżne lub pasożytnicze, atakujące inne bakterie i archeowce, a być może nawiązujące z nimi również stosunki symbiotyczne.

      Bakteria z tej grupy, Ca. Velamenicoccus archaeovorus, kiedy występuje w towarzystwie archeowca Methanosaeta sp. (jednego z najbardziej rozpowszechnionych mikroorganizmów naszej planety), wydziela wyjątkowo duże białko, złożone z 39 678 aminokwasów i zawierające kilkaset domen. Prawdopodobnie wiąże się ono ze ścianą komórkową ofiary, trawi ją i otwiera bakterii dostęp do cytoplazmy. Gen tego białka stanowi ok. 6% całego genomu V. archaeovorus.

      Ryc. 4.

      Co kryje ciemna materia

      Być może właśnie padł kolejny rekord. Badacze z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, przeglądając genomy Omnitrophota w poszukiwaniu olbrzymich genów, trafili na gen kodujący sekwencję 85 804 aminokwasów. Tak szokująco wielkie białko byłoby ponad dwa razy większe od dotychczasowych rekordzistów, w tym tytyny. Jaką funkcję może pełnić? Nie znaleziono samego białka ani jego fragmentów, tylko odpowiadające mu kodujące DNA. Co można z niego wywnioskować?

      Dysponujemy obecnie narzędziem sztucznej inteligencji, rozwijanym i doskonalonym przez Google DeepMind – AlphaFold. Jest to program korzystający z samouczących się sieci neuronowych, przewidujący trójwymiarową strukturę białka na podstawie jego sekwencji aminokwasowej. Niestety AlphaFold, imponująco skuteczny w przypadku białek niewielkich albo średniej wielkości, radzi sobie tym gorzej, im dłuższą sekwencję musi zanalizować. Dla białek złożonych z kilkudziesięciu tysięcy aminokwasów nie dałby w ogóle sensownych wyników. Dlatego zastosowano pomysłową sztuczkę: podzielono gen na odcinki o długości około 1000 par zasad, częściowo nakładające się na siebie, zrekonstruowano odpowiadające im fragmenty białka za pomocą AlphaFold, po czym spróbowano złożyć je w spójną całość. Powstał obraz białka o wielu domenach, które mogłyby wiązać się ze ścianą komórkową, zawierającego także fragmenty bardziej zagadkowe, jak osobliwa struktura przypominającą rurkę, utworzona przez symetrycznie skręcone helisy białka.

      Być może jest to kolejne olbrzymie białko używane przez nanobakterie jako broń myśliwska, nie wiemy jednak na pewno, czy produktem genu jest pojedyncza molekuła. Być może już w trakcie translacji syntetyzowana sekwencja jest cięta na kilka białek pełniących różne funkcje. Ani domniemane białko, ani produkująca je bakteria nie zostały na razie zaobserwowane bezpośrednio, odkrycie wymaga więc potwierdzenia innymi metodami. Wyniki zostały upublicznione w repozytorium bioRχiv, ale oczekują jeszcze na recenzje i publikację w ostatecznej formie. Trzeba więc zachować ostrożną rezerwę, ale jednocześnie podkreślić, że białka zbudowane z ponad 30 tysięcy aminokwasów to w świecie bakterii nic niezwykłego. Prawdziwych rekordzistów trzeba więc zapewne szukać właśnie tam.

      Lektura uzupełniająca

      Tytyna, największe ludzkie białko: https://pdb101.rcsb.org/motm/185.
      Forma, funkcje i filogeneza tytyny: Linstedt & Nishikawa 2017.
      Co wiemy o Ca. Omnitrophota: Seymour et al. 2023.
      Wstępne doniesienie o genie-gigancie: Jacob West-Roberts et al. 2023.
      Omówienie na łamach Nature: https://www.nature.com/articles/d41586-023-03937-z.

      Opisy ilustracji

      Ryc 1. Model (JSmol) fragmentu cząsteczki tytyny: sześć domen białkowych (spośród 244) połączonych ruchomymi „zawiasami″. Źródło: Protein Data Bank (domena publiczna).
      Ryc 2. Tytyna (kolor żółty) tworząca z kilkoma innymi białkami sarkomery (jednostki funkcjonalne mięśnia poprzecznie prążkowanego), pokazane w fazie rozkurczu i skurczu. Źródło: David Goodsell 2015/Protein Data Bank (domena publiczna).
      Ryc. 3. Gorące źródło Obsidian Pool w Parku Narodowym Yellowstone (Wyoming, USA), w którym po raz pierwszy odkryto DNA bakterii z proponowanego typu Omnitrophota (obok nadzwyczajnej różnorodności archeowców). Foto: Bob Lindstrom 1997. Źródło: Wikipedia (domena publiczna).
      Ryc 4. Archeowiec Methanosaeta sp. (podłużne komórki tworzące włókniste kolonie, A) atakowany przez Ca. Velamenicoccus archaeovorus (małe okrągłe komórki, D). Niektóre komórki archeowca (B, C) są uszkodzone i martwe. Foto: Erhard Rhiel and Jens Harder/Institute of Chemistry and Biology of the Sea and Max Planck Institute for Marine Microbiology. Źródło: Predatory Bacteria (fair use).