Fizjologia smaku (5): mapa języka, czyli czym jest prawda w nauce?

“Mapa języka”. Według: Wikipedia, MesserWoland. Licencja CC BY-SA 3.0.

To już piąty (a zarazem ostatni) odcinek mojego cyklu o fizjologii smaku. Pisałem jak wyczuwamy różne smaki i jak złożony może być mechanizm tego zjawiska:

1. Jak wyczuwamy smak.

2. Cierpkość czyli taniny.

3. Pełność czyli kokumi.

4. Ostrość czyli kapsaicyna.

Na koniec tego cyklu coś, co do dziś budzi kontrowersje: mapa języka. Chyba każdy słyszał o  o ściśle określonym rozkładzie receptorów smaku na języku, nazywanym mapą jezyka. Zgodnie z nią smak słodki jest wyczuwany przez przednią część języka, smak słony i słodki przez jego boczne części, a smak gorzki przez tylną część. Była uznawana za obowiązującą aż do początku XXI wieku, kiedy oficjalnie stwierdzono, że nic takiego nie istnieje. Ale czy na pewno? Sprawa nie jest wcale jednoznaczna. Zacznijmy od chronologii wydarzeń.

Historia badań nad odczuwaniem smaku

Wszystko zaczęło się w 1892 r., kiedy L. E. Shore z Uniwersytetu w Cambridge opublikował pracę na temat zagadkowych właściwości liści Gymnema sylvestre, która jest rośliną z rodzaju Gymnema występującą na subkontynencie indyjskim. Ma ciekawą cechę: żucie jej liści powoduje, że przestaje się czuć słodki smak. Autor stwierdził, że faktycznie tak jest: odczuwanie słodkiego smaku znika na około godzinę. Ale przy okazji zbadał też, jak różne części języka reagują na substancje o różnym smaku. Sporządził seryjne rozcieńczenia roztworów gliceryny, chininy, kwasu siarkowego i soli kuchennej (które mają odpowiednio słodki, gorzki, kwaśny i słony smak) i  wyznaczył dla każdej z tych substancji tzw. próg pobudzenia na przedniej, bocznej i tylnej części języka. Próg pobudzenia to najniższe stężenie substancji, przy którym smak staje się wyczuwalny. I tak, glicerynę (smak słodki) wykrywał w stężeniu 0,5% na przodzie języka, 2,5% na bocznej, a 1,5% na jego tylnej części. Z chininą (smak gorzki) było odwrotnie: 0,025% na przodzie języka, 0,005 na bocznej i 0,001% na tylnej części. Kwas siarkowy wykrywał w stężeniu 0,01% na przodzie języka, 0,05% na bocznej i 0,02% na tylnej części. Tak więc próg pobudzenia dla smaku słodkiego na przedniej części języka był 3 razy niższy, niż w tylnej części. W przypadku smaku gorzkiego było odwrotnie: próg pobudzenia na tylnej części był 25 razy niższy niż na przedniej. Autor nie stwierdził żadnych różnic w wykrywaniu smaku słonego (L.E. Shore, J. Physiol. 1892).

Dziewięć lat później David Pauli Hanig wyznaczył 29 miejsc na języku i badał progi pobudzenia w tych miejscach u pięciu osób (jedna z nich nazywała się Dr Moebius). Uzyskane przez niego dane były w zasadzie podobne do wyników Shore’a. Określony przez niego próg pobudzenia dla gliceryny to 0,33% na przodzie języka i 1,3% na jego tylnej części (u Shore’a 0,5% i 1,5%). Dla chininy progi te wynosiły odpowiednio 0,00045% i 0,00007% (u Shore’a 0,025% i 0,01; widać chinina Haniga była lepiej oczyszczona). Próg dla smaku kwaśnego wynosił 0.04% na przodzie i z tyłu języka, ale 0,02% z boku. Podobnie jak u Shore’a, nie było różnic w wykrywaniu smaku słonego.

Autor przedstawił wyniki w postaci wykresu zależności odwrotności progu pobudzenia (oś Y) od lokalizacji na języku (oś X). Ponieważ wartości progów były różne dla różnych substancji, przyrównał wszystkie te wielkości do wyników dla smaku gorzkiego, gdzie odwrotności były najwyższe (D.P. Hanig, Philosoph. Studien 1901, Ryc. 1A).

Jego dane zmodyfikował w 1942 r. E.G. Boring, który podzielił odwrotność progu pobudzenia uzyskaną dla każdej lokalizacji przez maksymalną odwrotność progu. Przykładowo w miejscu, gdzie próg był najniższy dla smaku słodkiego (przód języka, 0,33%) odwrotność progu była najwyższa (3,03). W ten sposób zdolność do wyczuwania czterech smaków można było przedstawić na jednym wykresie. Z wykresu Boringa wynika, że zdolność do wyczuwania smaku słodkiego jest najwyższa na przodzie języka, a smaku gorzkiego z tyłu. Nie było różnic dla smaku kwaśnego i słonego. 

Ale z wykresu tego można wyciągnąć jeszcze jeden, całkiem fałszywy wniosek: w miejscach, gdzie wartość Y wykazuje minimum (tył języka dla smaku słodkiego, przód dla smaku gorzkiego) w zasadzie nie ma żadnej wrażliwości na dany smak. Tymczasem taka wrażliwość jest najwyżej 4 razy niższa niż w miejscu maksymalnie wrażliwym (Ryc. 1B).

Ryc. 1. A. Mapa języka według Haniga i progi pobudzenia w różnych miejscach języka (kolory dodane przez mnie, Haning D.P., Philosoph. Studien 1901).

B. Dane Haniga zmodyfikowane przez Boringa (Boring E.G., Sensation and Perception in the History  of Experimental Psychology1942 r.). Według: Spence C., Curr. Res. Food Sci. 2022, 5:598-610. Licencja CC BY-SA 4.0.

Taką “mapę języka” spopularyzował A.J. Haagen-Smit, który w artykule opublikowanym  w “Scientific American” w 1952 r. pokazał różną wrażliwość fragmentów języka na słodki, gorzki i kwaśny smak. Ten sam autor stwierdził też, że wrażliwość na smak słony jest najwyższa w przednio-bocznej części języka, chociaż nie pokazał tego żaden z wymienionych autorów (Ryc. 2A).

“Mapa języka” Haagen-Smita, mimo że co najmniej w części pozbawiona jakichkolwiek podstaw doświadczalnych, została powtórzona w licznych podręcznikach fizjologii. Tam już otwartym tekstem pisano, że słodki smak czujemy przednią częścią języka, gorzki tylną, a słony i kwaśny boczną. Również polskie podręczniki do fizjologii (np. Władysław Z. Traczyk, Fizjologia Człowieka w Zarysie) pokazywały taką mapę (Ryc. 2B).

Ryc. 2. Lokalizacja regionów wrażliwych na smak słodki, gorzki, kwaśny i słony.

A. Regiony języka wrażliwe na cztery smaki (Haagen-Smit A.J., Scientific American, 1952).

B. „Mapa języka”, którą znamy z podręczników fizjologii (Schiffman P.R. The skin, Body and Chemical Senses, 1995). Według: Spence C., Curr. Res. Food Sci. 2022, 5:598-610. Licencja CC BY-SA 4.0.

Błędna interpretacja wyników Haniga wzięła się z niezrozumienia różnic pomiędzy progiem pobudzenia, czyli najniższym stężeniem substancji wywołującym reakcję, odwrotnością progu pobudzenia czyli wrażliwością i względną wrażliwością. Wrażliwość jest proporcjonalna do liczby receptorów dla danego smaku w danym regionie języka. Natomiast względna wrażliwość umożliwia porównanie względnych wrażliwości na jednym wykresie, ale nie można na jej podstawie wyciągać wniosków o ilości receptorów dla danego smaku w różnych regionach języka. Pokazuję to na Ryc. 3.

Ryc. 3. Próg pobudzenia, wrażliwość (1/próg pobudzenia) i względna wrażliwość (1/próg pobudzenia podzielony przez maksymalną wartość 1/próg pobudzenia) dla smaku słodkiego. Dane: Haning D.P., Philosoph. Studien 1901.

O manipulacji danymi przedstawianymi na wykresach pisał Wiesław Seweryn.

Mapy języka nie ma?

Wątpliwości na temat „mapy języka” narastały jednak od lat. Doświadczenia wykonywane na transgenicznych myszach pozbawionych receptorów dla poszczególnych smaków sugerowały, że komórki receptorowe dla poszczególnych smaków są rozmieszczone równomiernie na języku. Kluczowa publikacja na ten temat ukazała się w 2006 r. Stwierdzono w niej, że każdy kubek smakowy zawiera pięć rodzajów komórek receptorowych odpowiedzialnych za wykrywanie pięciu rodzajów smaków. Aktywacja tych komórek receptorów substancjami o smaku słodkim, kwaśnym, gorzkim, słonym i umami powoduje powstanie potencjałów czynnościowych przesyłanych do mózgu. Tak więc żadnej „mapy języka” nie ma. I tak wydawało się, że sprawa jest już definitywnie załatwiona.

Czy może jednak jest coś na rzeczy?

Badania nad wrażliwością na poszczególne smaki ciągle wykazywały jednak istnienie pewnych (chociaż niezbyt dużych) różnic w wyczuwaniu smaków. Dotyczyło to zwłaszcza smaku słodkiego, gorzkiego i umami. Tak jak pokazali to Shore i Hanig, większość osób wyczuwa smak słodki lepiej na przedniej części języka, a smak gorzki i umami na jego tylnej części. Jaka może być przyczyna tych różnic? Jedną z nich może być różnica w unerwieniu: przednia część języka  (ta, która zawiera brodawki grzybopodobne) jest unerwiona przez nerw o nazwie struna bębenkowa (chorda tympani). Tylna i boczna część, zawierająca brodawki liściaste i obwodowe jest unerwiona przez nerw językowo-gardłowy (nervus glossopharyngeus). Nerwy te przesyłają sygnał do różnych płatów kory mózgowej, co może skutkować różnym odczuwaniem tych smaków. Wiele badań potwierdza, że smak słodki daje silniejszą odpowiedź w strunie bębenkowej, a smak gorzki w nerwie językowo-gardłowym. W 1985 r. uczeni badający fizjologię mózgu suma (Silurus glanis) zaproponowali teorię, że są dwa systemy związane z odczuwaniem smaku: przód języka odpowiada za wybór pożywienia, a tył za wchłanianie i ochronę przed truciznami. U człowieka może mieć miejsce podobny mechanizm.

O ile smaki słodki, gorzki i umami mogą być wyczuwane w zróżnicowany sposób przez kubki smakowe rozlokowane w różnych regionach języka, to na pewno nie ma różnic w wyczuwaniu smaku słonego i kwaśnego. Co mają ze sobą wspólnego te smaki? Za ich odczuwanie odpowiadają kanały jonowe. Można spekulować, że aktywacja komórek receptorowych za pomocą takich kanałów zachodzi szybciej niż tych, które muszą związać cząsteczkę żeby aktywować białko G (tak jak to ma miejsce w przypadku smaku słodkiego, gorzkiego i umami). Może się to przekładać na różnice w progach aktywacji dla różnych miejsc języka.

Należy też brać pod uwagę ilość śliny w różnych miejscach jamy ustnej. Dzienna produkcja śliny to 0,6 – 1,5 litra, a bez niej nie jesteśmy wyczuć żadnego smaku. Uważa się, że substancje słodkie lepiej rozpuszczają się w ślinie niż substancje o smaku gorzkim i umami, co może powodować wyższą zdolność wyczuwania tych ostatnich w tylnej części języka (bo zdążyły się już rozpuścić).

I jeszcze jedno: wyczuwanie smaku jest ściśle powiązane z wyczuwaniem zapachu. W czasie jedzenia uwolnieniu ulegają wonne substancje, które aktywują receptory węchowe w jamie nosowej. Większość doznań związanych z jedzeniem to wrażenia zapachowe, a nie smakowe. Dlatego np. jedząc budyń o smaku bananowym mamy wrażenie smaku bananów, chociaż taki budyń zawiera jedynie związek chemiczny nadający bananom charakterystyczny zapach (octan izoamylu). Smak budyniu zawierającego ten związek i budyniu, który go nie zawiera, jest dokładnie taki sam. Dlatego mówiąc o odczuwaniu smaku nie możemy skupiać się tylko na aktywacji receptorów smakowych, bo wrażenia węchowe są z nimi ściśle powiązane.

Podsumowanie

“Mapa języka” jest przykładem procesu, w którym złożony problem starano się przedstawić w uproszczony sposób, a skutkiem było zupełne wypaczenie pierwotnego odkrycia. Pierwsze doniesienia na temat różnej zdolności do wykrywania smaków w różnych miejscach języka ulegały w kolejnych publikacjach takim przekształceniom, że w końcu powstał fałszywy obraz rzeczywistości w który wszyscy uwierzyli. Dziś wiemy, że „mapa języka”, którą przedstawiały podręczniki w XX wieku, nie istnieje. Każda brodawka smakowa zawierająca kubki smakowe (liściasta, grzybopodobna i obwodowa) zawiera sześć (bo w międzyczasie doszedł smak tłusty) komórek receptorowych odpowiadających za wyczuwanie sześciu podstawowych smaków. Nie znaczy to jednak, że odczuwanie różnych smaków przez różne regiony języka jest dokładnie takie samo, bo wpływ na to ma wiele dodatkowych czynników, takich jak unerwienie języka, wytwarzanie śliny czy zróżnicowane powinowactwo receptorów wobec różnych cząsteczek. To już element psychofizyki, czyli nauki badającej zależności między fizycznymi właściwościami bodźców a psychicznymi wrażeniami, które one powodują. Sprawa jest bardzo skomplikowana i może nigdy nie dowiemy się, jak jest naprawdę. Jak powiedział Karl Popper (austriacko-brytyjski filozof i teoretyk nauki): teorię naukową można jedynie obalić, ale nigdy nie można jej udowodnić. W naukach biologicznych chyba tak właśnie jest.

Literatura

Mapa języka: współczesne poglądy

https://doi.org/10.1016/j.crfs.2022.02.004

O równym rozmieszczeniu receptorów smaku

https://www.nature.com/articles/nature05401

Dwa systemy odbierania wrażeń smakowych

https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.3969566

Rola śliny i zapachu w percepcji pokarmu

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.8b01998

Uniewinniona dzięki genetyce. Sprawa Kathleen Folbigg (1)

Kathleen Folbigg i jej czworo zmarłych dzieci (fair use). Źródło: https://justiceforkathleenfolbigg.com

Kathleen Folbigg (ur. 1967 r.), mieszkanka Newcastle w stanie Nowa Południowa Walia (Australia), była szczęśliwą kobietą do 1989 r., kiedy jej pierwsze dziecko, Caleb, zmarło nagle mając 19 dni. Uznano, że miała miejsce „nagła śmierć łóżeczkowa” (sudden infant death syndrome), czyli nagła śmierć pozornie zdrowego niemowlęcia w czasie snu. Przyczyną takiej nagłej śmierci mogą być wady serca, niedobór serotoniny czy ucisk tętnicy kręgowej.

Ale jej następne dziecko urodzone rok później, Patrick, zmarło równie nagle w wieku 4 miesięcy. Jej kolejne dzieci też umierały z niewiadomych powodów: Sara zmarła w 1993 r. w wieku 10 miesięcy, a Laura w 1999 r. w wieku 18 miesięcy. W tym samym roku Kathleen została oskarżona przez swojego (byłego już) męża o zamordowanie czwórki dzieci. Aresztowana w 2001 r, po dwuletnim śledztwie została uznana winną zamordowania trojga dzieci (Patrick, Sara i Laura), nieumyślne spowodowanie śmierci czwartego (Caleb) i skazana na 40 lat pozbawienia wolności na podstawie precedensowego „prawa Meadowa”. Autor tej koncepcji prawniczej, brytyjski pediatra Roy Meadow, uważał że wielu przypadków nagłej śmierci łóżeczkowej nie można wyjaśnić inaczej, niż zaniedbaniem czy wręcz zbrodnią („Jedna nagła śmierć łóżeczkowa to tragedia, dwie są podejrzane, a trzy to zbrodnia, chyba że udowodni się, że było inaczej”).

Kathleen Folbigg nigdy nie przyznała się do morderstwa i utrzymywała, że dzieci zmarły nagle z niewiadomych powodów. W 2003 r. rozpoczęła odbywanie kary z możliwością przedterminowego zwolnienia nie wcześniej niż w 2033 r. I zapewne nikt by już nie słyszał o sprawie Kathleen Folbigg, gdyby nie Carola Vinuesa, genetyczka pracująca w Narodowym Uniwersytecie Australii w Canberze. W 2018 r. skontaktował się z nią jej były student, który zrobił też studia prawnicze i doradzał prawnikom Kathleen Folbigg. Carola Vinuesa była tu odpowiednią osobą, ponieważ uprzednio opisała podobny przypadek nagłej śmierci łóżeczkowej u dziecka w Macedonii. Przyczyną była rzadka mutacja w genie kodującym kalmodulinę. Po przeczytaniu akt sprawy Carola nabrała przekonania że Kathleen Folbigg jest niewinna. Udało jej się pobrać próbkę DNA skazanej i wykazać, że w genie CALM2 kodującym kalmodulinę jest rzadka mutacja, powodująca zamianę glicyny na argininę w pozycji 114 łańcucha polipeptydowego (skrócona nazwa tej mutacji to G114R). Kalmodulina (calcium-modulating protein) to białko wiążące wapń, które bierze udział w licznych procesach komórkowych, wpływając na wzrost, podział, różnicowanie się i ruchliwość komórek. Kalmodulina odgrywa też ważną rolę w regulacji skurczu mięśni, w tym także mięśnia sercowego.

Badanie DNA zmarłych dwóch córek Kathleen Folbigg wykazało, że obie odziedziczyły tę mutację. Nie znaleziono jej u zmarłych wcześniej synów, ale na tej podstawie obrońcy wnieśli o wznowienie procesu. Jednak zdaniem sądu poszlaki te były zbyt wątłe, ponieważ nikt nie udowodnił, że mutacja wpływa na aktywność kalmoduliny, a co dopiero na akcję serca. Wniosek odrzucono.

Ale Carola Vinuesa nie poddawała się. Zebrała międzynarodowy zespół uczonych, który wykazał, że mutacja G114R rzeczywiście wpływa na aktywność kalmoduliny i powoduje patologiczne zmiany w tkance serca, a więc mogła spowodować nagłą śmierć córek Kathleen Folbigg. Publikacja ukazała się w 2022 r. i stała się podstawą do wniosku do gubernatora stanu o zastosowanie prawa łaski. Gubernator skorzystał z niej 5 czerwca 2023 r. i w tym samym dniu Kathleen Folbigg została zwolniona z więzienia.

W osobnym badaniu wykazano, że zmarli synowie mieli rzadkie mutacje w genie BSN, który koduje białko związane z transportem pęcherzykowym (Bassoon Presynaptic Cytomatrix Protein). Odziedziczyli je po matce i ojcu. Jeżeli białko BSN nie działa prawidłowo, może to spowodować śmiertelne napady epilepsji, i tak prawdopodobnie stało się w przypadku obu synów.

W związku z tym obrońcy wystąpili z wnioskiem o kasację wyroku, którą sąd oficjalnie ogłosił 14 grudnia 2023 r., powołując się na „uzasadnione wątpliwości co do winy oskarżonej”. Wiadomo już, że prawnicy Kathleen Folbigg szykują wniosek o jej uniewinnienie, a także o odszkodowanie za 20 lat spędzone w więzieniu oraz straty moralne spowodowane przez pobicie przez inne osadzone. Kwota odszkodowania prawdopodobnie przekroczy 10 milionów dolarów australijskich i będzie  najwyższa w historii Australii.

Dlaczego zamiana jednego aminokwasu w kalmodulinie może spowodować tak fatalne skutki? Żeby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba zrozumieć podstawy działania komórek mięśnia prążkowanego i mięśnia sercowego. Kalmodulina odgrywa tam ważną rolę. O tym w następnym wpisie.

Literatura dodatkowa

https://www.focus.pl/artykul/kathleen-folbigg-skazana-genetyka

https://www.science.org/content/article/how-geneticist-led-effort-free-mother-convicted-killing-her-kids

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).