Danske forskere har opdaget en måde, som bakterier kan udvikle sig på, som ingen hidtil har kendt til:
Bakterierne kan optage arvelig information direkte fra omgivelserne, også selvom informationen er flere hundrede tusind år gammel og stammer fra for længst uddøde dyr. Som eksempelvis en mammut.
»Det har store perspektiver for forståelsen af bakteriers evolution, men også for praktiske ting som sygehusvæsnet med for eksempel bakterieresistens,« siger professor Eske Willerslev, Københavns Universitet, der har ledet forskningen.
Opdagelsen kan sågar give ny indsigt i, hvordan livet tog sine første spæde skridt på den tidlige Jord.
»Man kan forestille sig, at det her har speedet den tidlige evolution op,« siger medforfatter professor Minik Rosing, Københavns Universitet.
Studiet er netop offentliggjort i det ansete videnskabelige tidsskrift PNAS.
Vi vader rundt i bjerge af DNA
Forskningsprojektet begyndte groft sagt med Eske Willerslevs lidt over 10 år gamle opdagelse af, at jorden er fyldt med gammelt arvemateriale (DNA) fra døde dyr, planter og mikroorganismer. Han har for eksempel vist, at man kan finde titusinder år gammelt mammut-DNA i den permafrosne sibiriske jord.
I dag vurderer man, at DNA under optimale omstændigheder kan overleve som små nedbrudte stumper i et, måske to, millioner år.
Vi vader med andre ord rundt i bjerge af usynligt for det blotte øje, aflagt DNA, og det fik Willerslev til at spekulere på, om alt den genetiske information bare går til spilde og bliver fortæret af mikroorganismer – eller om der måske er nogen, som så at sige ‘genbruger’ det.
Her kommer en ung biokemiker, Søren Overballe-Petersen, med speciale i mikrobiologi og på jagt efter et spændende ph.d.-projekt, ind i billedet. Sammen lykkedes det at udtænke et rigtig smart eksperiment, hvor de ville teste, om bakterier kan optage nedbrudt DNA fra en mammut, der levede for 43.000 år siden.
Smart at bruge mammut-DNA
»Det smarte ved mammut-DNA er, at vi er sikre på, at det ikke er en forurening, fordi en mammut jo ikke kan være gået forbi i sidste uge og ‘tabt et hår’ ned i vores forsøg,« siger Søren Overballe-Petersen.
»Men det afgørende er ikke, at det er mammut-DNA, men derimod alderen, så DNA’et har et ægte nedbrydningsmønster.«
Der er meget mere gammelt, nedbrudt DNA i vores omgivelser, end der er ‘frisk’ DNA, men ingen har vidst, om den DNA er for skadet til at kunne genbruges.
For at teste idéen designede forskerne et eksperiment, hvor de så at sige satte en almindelig jordbakterie (Acinetobacter baylyi) på en skrap stroppetur, som den kun kunne overleve, hvis det lykkedes den at optage en stump mammut-DNA.
Detaljerne er lidt langhårede, men går helt kort ud på at skabe bakterier med en defekt stump syntetisk mammut-DNA.
Bakterier indarbejder mammut-DNA i dem selv
En lidt nærmere forklaring lyder: Nær mammut-DNA’et sidder nogle gener, som bakterierne har brug for for at overleve, men fordi der i den defekte stump sidder to ‘stop-signaler’, kan generne ikke aktiveres, medmindre bakterierne skifter det syntetiske mammut-DNA ud med en stump ægte mammut-DNA.
Den ægte mammut-DNA-stump kan bakterierne kun få fat i, når forskerne bader dem i det 43.000 år gamle nedbrudte mammut-DNA.
Det viste sig, at enkelte bakterier rent faktisk klarer ærterne og indarbejder i mammut-DNA’et i deres eget DNA.
»I bund og grund viser vi, at alle DNA-rester i omgivelserne har mulighed for at gøre det her,« siger Søren Overballe-Petersen.
Processen er oven i købet uhyre simpel og forløber spontant, fortæller han.
Man kender allerede til, at visse bakterier kan optage DNA fra nært beslægtede bakterier, men den proces omfatter et komplekst apparat af enzymer og kun store stykker DNA – ikke små stumper som forskerne i dette forsøg benyttede sig af på ned til 20 DNA-baser.
Peger på urgammel mekanisme
Med den helt simple spontane proces peger fundet på en mere generel, men urgammel, mekanisme, som kan have været i spil lige siden udviklingen af det helt tidlige, primitive liv, fortæller Minik Rosing.
Han siger, at forholdene på den tidlige jordklode var iltfri, og at dén omstændighed formentlig har været bedre for overlevelsen af DNA i miljøet. Derfor kan der have været endnu mere DNA i miljøet, end der er nu om dage.
Det ekstra interessante er, at de fritsvømmende DNA-stumper allerede ér afprøvet og testet evolutionært, så det tidlige liv måske har kunnet samle basale egenskaber op fra miljøet uden at skulle opfinde den dybe tallerken selv hver eneste gang.
Det svarer lidt til at spise et Kinder-æg og så finde en gave indeni.
»Man har adgang til et bibliotek af information, og det kan sandsynliggøre, hvorfor livet er udviklet meget hurtigt‚« siger Rosing, der selv har fundet nogle af de allertidligste spor efter liv i 3,8 milliarder gamle klipper på Grønland.
En helt ny form for evolution
Det er første gang i evolutionshistorien, at vi har en mekanisme, hvor de døde kan have indflydelse på evolutionen.
Professor Eske Willerslev
Han peger netop på, at det første liv, man kan påvise allerede, i forvejen har vist sig at være ret avanceret. Det får forskerne til at tro, at udviklingen af alle de basale funktioner må være gået meget hurtigt.
Fundet sætter også vore dages bakteriers evolution i et nyt lys. Bakterier er i forvejen kendt for at udvikle sig meget hurtigt, men med opdagelsen af, at DNA fra helt andre organismer kan finde vej ind i deres arvemateriale, kommer en helt ny form evolution på spil.
Her går arveegenskaberne ikke nødvendigvis lineært videre ned gennem generationerne, men kan springe fra helt andre organismer og endda overskride tidsbarrierer på flere hundrede tusind år.
»Det er første gang i evolutionshistorien, at vi har en mekanisme, hvor de døde kan have indflydelse på evolutionen,« siger Eske Willerslev.
Fare for smitte med DNA?
Forskerne kalder det nye fænomen for ‘anakronistisk evolution’ og peger for eksempel på, at floder årligt graver sig ned i sedimenterne, hvilket skønnes at frigive mellem 859 og 14.500 tons gammelt DNA. Der er altså tale om virkelig meget DNA, som potentielt kan være et vigtigt ‘informationsbibliotek’ i naturen.
Præcis hvad det betyder, kan forskerne endnu kun gisne om, men man kan forestille sig, at funktionelle genetiske enheder, der ellers var blevet tabt i en evolutionær blindgyde, kan vækkes til live igen.
Sidst, men ikke mindst, giver fundet også nogen grund til bekymring for eksempel i forbindelse med hospitaler og molekylærbiologiske laboratorier.
»Når læger for eksempel spritter af efter en operation, slår de bakterierne ihjel, men ikke DNA’et, og man kan spekulere på, om for eksempel resistensegenskaber kan tages op af det næste hold bakterier, selvom det er fragmenteret,« siger Eske Willerslev.
Det samme gælder genmodificerede bakterier i forskningslaboratorier på universiteter og genteknologiske virksomheder. Her steriliserer man sine redskaber ved opvarmning i en proces kaldet autoklavering, hvor materialet varmes op til over 120C i to timer.
Det slår alle bakterierne ihjel, men fragmenterer kun DNA’et, der, ifølge Willerslev, potentielt kan tænkes at lave rav i den, når det skylles ud i naturen.
Spekulation: Kan DNA-stumper måske spille en rolle i tarmkræft?
Endnu ved ingen, om processen er begrænset til bakterier – hvis man for eksempel forestiller sig, at celler i højere organismer også spontant kan optage DNA, kan det måske bidrage til kræft, spekulerer Eske Willerslev.
For eksempel peger han på, at cellerne i vores tarmvæg har en massiv gennemstrømning af DNA-stumper, fra den mad vi spiser og de bakterier, der lever i vores tarm.
Han understreger, at det er ren spekulation, men når DNA-stumper spontant kan sætte sig ind i bakteriers DNA, kan de måske også sætte sig ind i vores tarmcellers DNA og måske ligefrem skabe mutationer, der spiller en rolle i udviklingen af tarmkræft.
»Jeg siger ikke, at vi skal til at være totalt paranoide, men jeg mener bestemt, at det er noget, man bør kigge på,« siger Eske Willerslev.
