perjantaina, 30. joulukuuta 2011, klo 8.21

Antibioottiresistenssit pneumokokkibakteerit ja sitraattibakteerit

26.09.2011 - Matti Meikalainen

Pneumokokkibakteerin mutaatio aiheutti NDM-1 entsyymin syntymisen bakteerissa. NDM-1-entsyymi hajottaa beetalaktaamiantibioottien (mm. penisilliini) beetalaktaamirenkaan, tuhoten antibiootin muodon ja estäen sitä tuhoamasta bakteeria. Kolibakteeri kehittyi mutaation vuoksi käyttämään sitrushappoa ravinnoksi. Eivätkö nämä tapaukset ole esimerkkejä geneettisen informaation* lisääntymisestä. *ja voitaisiinko tämä määritellä

Vastaus:

30.11.2011

Kiitos kysymyksestäsi!

Pneumokokkibakteerin mutaatio aiheutti NDM-1 entsyymin syntymisen bakteerissa. NDM-1-entsyymi hajottaa beetalaktaamiantibioottien (mm. penisilliini) beetalaktaamirenkaan, tuhoten antibiootin muodon ja estäen sitä tuhoamasta bakteeria.

Tämä vaikuttaa hyvin ikävältä esimerkiltä yhdestä niistä asioista, joita mutaatio ja luonnonvalinta ovat varsin hyviä tekemään – tuottamaan entsyymissä pieniä, vähittäisiä muunnoksia asteittaisessa prosessissa. Lisäksi bakteerien taipumus kerätä useita antibioottiresistenssejä tekee NDM-1 -geenin todelliseksi ongelmaksi. Tämä ei kuitenkaan tue oletusta, jonka mukaan evolutiivinen prosessi kykenee tuottamaan solussa uudenlaisia monimutkaisia ominaisuuksia (eli kyky tuottaa geneettistä informaatiota).

Ongelmana on, että antibiootteja käytetään usein – ja väärin. Beetalaktamaasit, entsyymit, jotka hajottavat penisilliiniä ja penisilliinin kaltaisia antibiootteja (Niille kaikille on tunnusomaista beetalaktaamirengas) ovat olleet olemassa ennen antibiootteja. 1930-luvulta peräisin olevista mikrobinäytteistä on löydetty esimerkkejä penisilliiniresistanteista bakteereista. Valinta on sittemmin kohdistunut valtaviin bakteeripopulaatioihin. Ne bakteerit, joilla oli beetalaktamaasigeeni selviytyivät, kun taas ne, joilla ei ollut, kuolivat. Tämä johti siihen, että monista bakteereista tuli penisilliinille vastustuskykyisiä.

Vastustuskyvyn ei kuitenkaan tarvinnut syntyä joka bakteerityypissä erikseen. Bakteerit, joilla on beetalaktamaasientsyymejä, ovat voineet siirtää niiden tuotantoon vaadittavia geenejä niille, joilla ei kyseisiä geenejä ole. Tästä seurasi penisilliinivastustuskyvyn leviäminen. Kun sitten kehitettiin uusia muunnoksia penisilliinistä, jokainen muunnos oli aluksi menestyksekäs, mutta lopulta syntyi myös uusia muunnoksia beetalaktamaasista. Nämä muutokset johtuivat pienistä muutoksista DNA:n emäsjärjestyksessä, jotka aiheuttivat vähittäisiä muutoksia beetalaktamaasissa. Jos variantti muuttui siten, että pystyi selviytymään ympäristössä, jossa oli antibioottia (kuten henkilössä, jota hoidetaan antibiooteilla infektiotaudin takia), levisi tämä muunnos koko mikrobipopulaatioon.

Tämä tapahtumasarja voidaan helposti toistaa laboratoriossa. Jos laitetaan miljardeja bakteereita petrimaljaan, jossa on 50 mikrogrammaa/ml ampisilliinä sisältävää ravinneliuosta, E. Coli -bakteerin heikot beetalaktamaasit tuhoutuvat, eikä yksikään selviä. Tätä tapahtuu satoja kertoja joka päivä, koska ampisilliini on hyvin yleisesti tutkimuslaboratorioissa käytössä oleva antibiootti. Sen sijaan vastustuskyvyn ei havaita kehittyvän korkealle ampisilliinipitoisuudelle, koska sen syntymiseksi vaadittaisiin useita muutoksia.

Mutta mikäli aloitetaan vain 2 mikrogrammalla/ml ampisilliinä, muutama selviytyy. Ne ovat mutantteja, joilla on jalostunut beetalaktamaasientsyymi. Jatkuessaan tämä johtaa lopulta kantaan, joka kestää korkeita ampisilliinipitoisuuksia. Tämä kertoo kyvystä jalostaa toimintoa pienin askelin, muttei mitään evoluution kyvystä luoda kokonaan uutta toimintoa, josta lähteä liikkeelle. Jotta mutaatio ja valinta olisivat tuloksekkaita, on geenin oltava jo valmiiksi toimiva tai yhden (enimmillään kahden) mutaation päässä toimintakyvystä.

Ralph Seelke on laboratoriossaan tarkoituksella poistanut toiminnasta yhden tryptofaanisynteesin geeneistä, jota tarvitaan tryptofaanin tuottamiseen, tekemällä siihen kaksi mutaatiota. Evoluutio on ollut kyvytön palauttamaan kykyä tuottaa tryptofaania tässä E. Coli -bakteerin populaatiossa. Huolimatta vain kahdesta tarvittavasta muutoksesta (jotka molemmat ovat välttämättömiä), tätä evolutiivista tapahtumaa ei ole havaittu. Biljoonia soluja on testattu ja niitä on kasvatettu yli 10 000 sukupolvea ympäristössä, joka nopeasti valitsee tryptofaanisynteesiin kykenevät bakteerit.

Toinen osa tätä ongelmaa on paha tapamme ottaa antibiootteja käyttöön yksi kerrallaan. Tapa on kuin räätälöity tuottamaan vastustuskykyisiä bakteereita. Valitettavasti bakteerit myös siirtävät vastustuskykyisiä geenejä yhdeltä bakteerilta toiselle siirrettävien plasmidien kautta. Jotkin näistä, käyttäen hyvin tavallisia ja tunnettuja reaktioteitä, voivat sitten kerätä itseensä antibioottivastustuskyvyn tuottavia geenejä. Juuri näin on tapahtunut NDM-1:n kohdalla. Bakteerit, joista sitä on löydetty, ovat olleet jo valmiiksi vastustuskykyisiä muille antibiooteille. NDM-1-entsyymin seurauksena niistä tulee ”superbakteereja”, vastustuskykyisiä kaikille tavallisille käytössä oleville antibiooteille. (On siis väärää tietoa, että NDM-1 olisi itse tuottanut bakteerille vastustuskyvyn monia antibiootteja vastaan; se vain tuotti vastustuskyvyn käytännössä kaikkia beetalaktamaaseja vastaan.)1

Tämä ei siis ole esimerkki uudenlaisen informaation syntymisestä mutaatioiden ja luonnonvalinnan kautta, vaan ainoastaan jo olemassaolevan informaation siirtämisestä ja olemassaolevan proteiinin muokkaamisesta pistemutaatioin, niin että proteiinin varsinainen toimintamekanismi pysyy koko ajan samana. Niissä tapauksissa joissa antibioottiresistanssin tuottavan proteiinin pistemutaatioiden vaikutusta proteiinin toimintamekanismiin on tutkittu tarkemmin, mutaatio on tehnyt proteiinista epämääräisemmän ja vähemmän täsmällisen.2 Tällä esimerkillä ei siis ole mitään tekemistä uudenlaisten monimutkaisten toimintojen tuottamisen kanssa.

Kolibakteeri kehittyi mutaation vuoksi käyttämään sitrushappoa ravinnoksi.

Tällä tapauksella tarkoittanet Richard Lenskin (Michiganin osavaltionyliopisto, East Lansing) vuonna 1988 aloittamaa koetta, jossa hän perusti 12 E. coli -bakteerikantaa ja kasvatti niitä laboratoriossa sukupolvesta sukupolveen kaksikymmentä vuotta (hän ansaitseekin kiitosta sinnikkyydestään!). Bakteeriviljelmän elatusaine sisälsi hiukan glukoosia, mutta huomattavasti enemmän sitraattia, niinpä kun sitten bakteerit käyttivät glukoosin, ne pystyivät jatkamaan kasvuaan vain kehittämällä jonkin tavan käyttää sitraattia.

Lenski odotti näkevänsä evoluution toiminnassa. Tämä on evoluutioon uskovalle tyypillinen oletus, koska bakteerit lisääntyvät nopeasti ja niillä voi olla suuria populaatioita, kuten tässä tapauksessa. Ne myös kestävät korkeampaa mutaationopeutta kuin eliöt, joilla on suuremmat genomit, esimerkkinä selkärankaiset kuten me. Kaikki tämä tarkoittaa uusdarvinismin mukaan, että lähes varmasti nähdään evoluutiota tapahtuvan reaaliajassa (ottamatta huomioon sitä kaikkea, mitä on tapahtunut piilevässä menneisyydessä). Nopean lisääntymisen takia 20 vuodessa tämä on merkinnyt 44 000 sukupolvea, mikä vastaa muutaman miljoonan vuoden sukupolvia ihmispopulaatiossa. (Ihmisten kehittymisen evolutiiviset mahdollisuudet olisivat kuitenkin paljon vähäisemmät johtuen pienempien populaatioiden rajoittamasta mutaatioiden määrästä. Lisäksi suurempi genomi ei voi pitää yllä yhtä suurta mutaatiovauhtia ilman sukupuuttoa. Myös seksuaalinen lisääntyminen tarkoittaa 50% todennäköisyyttä, ettei hyödyllinen mutaatio siirry jälkeläisille).3

Michael Behe on kirjoittanut laajasti Lenskin tutkimuksesta, paljastaen että E. coli -bakteerilla oli jo valmiiksi olemassa järjestelmät sitraatin siirtämiseen solun sisälle, sekä ravinnoksi hyödyntämiseen. Kyseessä ei siis ole mikään täysin uusi biokemiallinen reaktiosarja. Normaalilla E. coli bakteerilla on jo kyky ottaa ja hyödyntää sitraattia ravinnokseen. Ne eivät vain normaalioloissa pysty ottamaan sitä sisälleen hapellisissa olosuhteissa. Lenskin kokeessa bakteereille kehittyi kyky ottaa sitä hapellisissa olosuhteissa. Sen jälkeen E. coli käytti normaaleja aineenvaihduntapolkuja käyttääkseen sitraattia ravinnonlähteenä. Behe huomautti tästä kommentoidessaan Lenskin bakteeritutkimuksista esitettyihin argumentteihin pian sen jälkeen, kun ne oli ensiksi julkaistu vuonna 2008:

Nykyään luonnonvaraisilla E. coli -bakteereilla on jo useita entsyymejä, jotka normaaliin tapaansa käyttävät sitraattia ja voivat sulattaa sitä ruoaksi (sitraatti ei ole mikään eksoottinen kemikaali, jota bakteerit eivät olisi koskaan aiemmin kohdanneet). Luonnonvaraisilta bakteereilta puuttuu kuitenkin entsyymi, jota kutsutaan ”sitraattipermeaasiksi”. Se voi kuljettaa sitraattia solun ulkopuolelta solukalvon läpi sen sisälle. Näin kaikki, mitä bakteerin tarvitsi tehdä käyttääkseen sitraattia ravinnoksi oli löytää tie saada se solun sisälle. Loput järjestelmästä sen ravinnoksi hyödyntämiseksi oli jo valmiina. Lenskin sanoin ”ainoa tunnettu este hapellisissa olosuhteissa lisääntymiselle sitraattia käyttäen on sen kykenemättömyys kuljettaa sitraattia hapellisissa olosuhteissa”4

Samoin Behen tuoreempi kirjoitus arvostetussa Quarterly Review of Biology -lehdessä vuodelta 2010 tarjoaa laaja-alaista kritiikkiä väitteille, joiden mukaan Lenskin pitkän ajan evoluutiokoe todisti uuden reaktiosarjan kehittymisen sitraatin ravinnoksi hyödyntämiseksi. Behe selittää:

Lenskin ryhmä tiedotti äskettäin eristäneensä E. coli -bakteerin, jolle oli mutaation kautta ilmaantunut Cit+ fenotyyppi.Tämä tarkoittaa bakteerikantaa, joka voi kasvaa hapellisissa olosuhteissa sitraattia sisältävässä bakteeriviljelmässä. Luonnonvarainen E. coli -bakteeri ei voi kasvaa kyseisissä olosuhteissa, koska siltä puuttuu sitraattipermeaasi tuomaan ravinnoksi hyödynnettävä sitraatti soluun hapellisissa olosuhteissa. (Täytyy huomata, että solun sisällä E. Coli -bakteerilla on valmiiksi entsymaattinen kyky tuottaa ravintoa sitraatista.) Fenotyyppi, jonka taustalla olevia molekyylimuutoksia ei ole vielä raportoitu, antoivat valtavan lisääntymisedun, koska bakteeriviljelmä sisälsi ylen määrin sitraattia, mutta vain hyvin niukasti glukoosia, jota bakteerien esi-isät käyttivät ravinnoksi.5

Toisin sanoen Behe selittää, ettei niitä täsmällisiä geneettisiä mekanismeja tunneta, joiden avulla E. coli -bakteeri ottaa sitraattia hapellisissa olosuhteissa. Myöhemmin Behe huomauttaa, että sitraattia ravinnokseen hyödyntävä E. coli -kanta ei todellisuudessa ole mitään uutta, ja että aiemmat tutkimukset viittaavat siihen, että E. coli -bakteerin kyky ottaa sitraattia hapellisissa olosuhteissa saattaa olla seurausta molekyylin toimintakyvyn menetyksestä:

Useat toiset laboratoriot ovat aiemmin myös tunnistaneet mutantoituneen E. Coli -kannan vastaavalla fenotyypillä. Yhdessä tällaisessa tapauksessa taustalla olevaa mutaatiota ei ole tunnistettu (Hall 1982). Toisessa tapauksessa kuitenkin huomattiin, että tämän fenotyypin ilmaantumisesta oli vastuussa useissa plasmideissa esiintyvän citT-geenin jatkuva ylituotanto. Normaalisti citT toimii hapettomissa olosuhteissa kuljettaen sitraattia solun sisälle (Pos et al. 1998). Jos Lenskin Cit+ -kannan fenotyyppi johtuu normaalin geneettisen säätely-yksikön, kuten repressorin kiinnittymiskohdan tai muun toiminnallisen koodatun yksikön toiminnan vioittumisesta, on se tietenkin geneettistä informaatiota tuhoava mutaatio, huolimatta sen huomattavan sopeuttavista vaikutuksista sitraatin läsnä ollessa. Jos fenotyyppi on seurausta yhdestä tai useammasta mutaatiosta, joiden seurauksena on esimerkiksi uuden geneettisen säätely-yksikön lisääminen, geeniduplikaatio jonka yhteydessä geenin emäsjärjestyksessä tapahtuu muuntelua,tai uuden kiinnityskohdan lisäys, sitä voitaisiin kutsua informaatiota lisääväksi mutaatioksi.6

Näin ollen aiemmat tutkimukset esittävät, että sopeutuma, joka salli näiden E. coli -bakteerien ottaa sitraattia hapellisissa olosuhteissa, saattaa olla seurausta ”normaalin geneettisen säätely-yksikön toiminnan puutteesta”. Todennäköisesti tässä on tapahtunut näin:

  • Normaaliolosuhteissa E. coli pystyy metaboloimaan sitraattia. Sitraatin metabolointihan on sentään tärkeä askel sitruunahappokierrossa, reaktiosarjassa, jota käytännössä kaikki elävät eliöt käyttävät tuottaessaan energiaa.
  • Hapellisissa olosuhteissa E. coli -bakteerilta puuttuu kuitenkin kyky siirtää sitraattia solukalvon läpi soluun. E. coli kykenee tähän pelkistävissä olosuhteissa, mutta hapellisissa olosuhteissa E. coli ei voi normaalisti ottaa sitraattia.
  • Jos Lenskin sitraattia hyödyntävät E. coli -bakteerit ovat kuten aiemmat E. coli -bakteerit, jotka löydettiin hyödyntämästä sitraattia hapellisissa olosuhteissa, silloin näyttää todennäköiseltä, että bakteerit saivat mutaation, joka poisti sitraatinkuljetusgeenin säätelymekanismin, minkä seurauksena on sitraatinkuljetusproteiinin ylituotanto, joka sallii E. coli -bakteerin ottaa sitraattia hapellisissa olosuhteissa.

Toisin sanoen järjestelmä sekä sitraatin kuljetukseen että ravinnoksi hyödyntämiseen oli jo valmiina kyseessä olevissa bakteereissa. Sarja geneettistä informaatiota tuhoavia mutaatioita rikkoi sitraatin kuljetusmekanismien aiemman sääntelyn, mikä aiheutti sitraatinkuljetusgeenin ylituotantoa sallien sitraatin kuljetuksen sekä hapellisissa että hapettomissa olosuhteissa. Mikäli tästä on kyse, silloin tässä esimerkissä darvinistisesta ”evoluutiosta” on kyseessä olemassaolevan molekyylitoiminnon tuhoutuminen, ei uuden synty. Tässä ei myöskään hankittu mitään ennennäkemätöntä kykyä sitraatin metaboloimiseksi.

Todellisuudessa, kuten Behe huomauttaa, emme vielä tarkalleen ymmärrä molekyylimekanismeja, jotka johtivat näiden E. coli -bakteerien kykyyn ottaa sitraattia hapellisissa olosuhteissa. Sen perusteella mitä tiedämme, nämä muutokset eivät synnyttäneet uusia toiminnallisia geenejä tai proteiineja vaan saattoivat olla rikkoutuneen säätelymekanismin seurausta. Emme ole havainneet, että luonnonvalinta ja satunnaiset mutaatiot voisivat tuottaa toiminnallisia, informaatiorikkaita geenejä ja proteiineja.7

Eivätkö nämä tapaukset ole esimerkkejä geneettisen informaation* lisääntymisestä. *ja voitaisiinko tämä määritellä

Geneettistä informaatiota on käsitelty aiemmin yhdistyksemme sivuilla: Rappeutumisteoriaan tarkennus ja Rappeutumisteoria ja kreationismin oikeutus

Viitteet
  1. http://www.evolutionnews.org/2010/09/ndm-1_superbug_the_result_of_b038021.html
  2. http://www.answersingenesis.org/articles/aid/v4/n1/beneficial-mutations-in-bacteria ja http://www.trueorigin.org/bacteria01.asp
  3. http://creation.com/bacteria-evolving-in-the-lab-lenski-citrate-digesting-e-coli
  4. Michael Behe, Amazon Blog, "Multiple Mutations Needed for E. Coli" (June 6, 2008). Lainattu lähdeartikkelissa.
  5. Michael J. Behe, "Experimental Evolution, Loss-of-Function Mutations and 'The First Rule of Adaptive Evolution'," Quarterly Review of Biology, Vol. 85(4) (December, 2010). Lainattu lähdeartikkelissa.
  6. Michael J. Behe, "Experimental Evolution, Loss-of-Function Mutations and 'The First Rule of Adaptive Evolution'," Quarterly Review of Biology, Vol. 85(4) (December, 2010). Lainattu lähdeartikkelissa.
  7. http://www.evolutionnews.org/2011/09/richard_lenskis_long_term_evol051051.html