Czy węgorze śnią o elektrycznych modyfikacjach DNA

Wszystko zaczęło się od środowiskowego DNA (eDNA – environmental DNA). Czyli od kwasu dezoksyrybonukleinowego pobranego do analizy nie bezpośrednio z ciała zwierzęcia, rośliny czy bakterii, lecz ze środowiska, w jakim te organizmy żyją.

Wystarczy odrobina złuszczonych komórek skóry, kropla krwi czy pyłek kwiatów, by zostawić genetyczny ślad w ekosystemie. Można z nich wywnioskować, jakie organizmy zasiedlają dany habitat. To metoda zyskująca ostatnio na popularności, szczególnie wśród badaczy hydrosfery, w której stężenie DNA może wynosić ponad 2,5 ng/µl (czyli relatywnie dużo). Technika jest przydatna zwłaszcza wtedy, gdy bezpośrednie monitorowanie gatunku jest utrudnione lub gdy chce się uniknąć diagnostyki przeprowadzanej za pomocą połowów.

Ostatnie projekty bazujące na analizie wodnego eDNA były wykonywane m.in. w Amazonii. W 2020 r. brazylijscy uczeni badali w ten sposób skład gatunkowy jezior zalewowych tego rejonu. Rok później międzynarodowy zespół uczonych (m.in. z Cornell University i National Museum of Natural History podlegającego pod Smithsonian Institute) wykorzystywał eDNA do badania bioróżnorodności amazońskich ryb.

Ofiara złotej rybki i fluorescencja larwy danio

Tak się składa, że właśnie na tych terenach żyje pewien szczególny rodzaj ryb: węgorze elektryczne (rodzaj Electrophorus). Potrafi on generować ładunek elektryczny o napięciu nawet 860 V. Uczeni z Nagoya University i Kyoto University postanowili zbadać, co dokładnie dzieje się z organizmami znajdującymi się w zasięgu wyładowania (tzw. EOD – electric organ discharge). Na podstawowym poziomie odpowiedź na to pytanie jest prosta. Bodziec elektryczny emitowany przez węgorza powoduje ogłuszenie, a niekiedy nawet zabicie ofiary, wroga lub czegokolwiek żywego, co znajdzie się w zasięgu.

Wyobraźnia japońskich badaczy zawędrowała jednak w znacznie mniej eksplorowane rejony biologii. Skoro wodne zwierzęta – rozumowali – żyją w roztworze, w którym są zawieszone fragmenty DNA, to czy silny bodziec elektryczny nie sprawia, że środowiskowe geny wbudowują się w ich ciała?

Skąd taki pomysł? Inspiracji dostarczyła technika tzw. elektroporacji. W warunkach laboratoryjnych wykorzystuje się ją do zwiększenia przepuszczalności błony komórkowej. W normalnych okolicznościach ta szczelna warstwa przepuszcza tylko bardzo niewielkie cząsteczki, np. gazów. Ale kiedy potraktuje się ją polem elektrycznym, na moment tworzą się w niej niewielkie pory, przez które mogą przenikać większe substancje, np. leki. Metodę elektroporacji stosuje się również w biotechnologii. Komórki bakterii, drożdży, a nawet ssaków poddaje się działaniu impulsu elektrycznego, a następnie wprowadza się do nich obcy materiał genetyczny.

Czy zatem węgorze przeprowadzają w swoim środowisku naturalną elektroporację i tym samym inicjują horyzontalny transfer genów u sąsiadów? Aby odpowiedzieć na to pytanie, badacze zaprojektowali następujący eksperyment.

W zbiorniku wodnym umieścili węgorza, złotą rybkę (oryginalne określenie użyte przez uczonych; chodzi o hodowlaną odmianę karasia chińskiego) i larwy danio pręgowanego. Do wody dodawali ponadto materiał genetyczny: plazmidy kodujące fluorescencyjne białko. Karaś był znieczulony i służył za posiłek. Tuż przed posileniem się nim, węgorz emitował EOD, które oddziaływało nie tylko na ciało ofiary, ale też na znajdujące się tuż obok danio. Po zakończeniu powyższej procedury uczeni sprawdzali, czy geny obecne w środowisku wbudowały się w larwy danio. Okazało się, że tak. Obce geny kodujące fluorescencyjne białko znajdowały się m.in. w płetwach, tułowiu, ale też w niektórych tkankach głowy, np. w oku.

Nieziemskie hipotezy i przyziemne konstatacje

Badacze bardzo ostrożnie podchodzą do konkluzji i podkreślają, że udowodnienie istnienia transferu w warunkach laboratoryjnych nie dowodzi jeszcze, iż podobne zjawisko zachodzi w przyrodzie. W swoim eksperymencie wykazali jednak, że nie jest to wykluczone.

Czy to możliwe, że w innych ekosystemach (np. pozaziemskich) podobne procesy zachodzą na dużo większą skalę, a nawet, że są dominującym sposobem zwiększania różnorodności genetycznej? Sami autorzy nie wykluczają takiej możliwości.

Schodząc jednak jeszcze na moment na Ziemię, trzeba zauważyć, że w ich badaniach – choć bardzo nowatorskich i intrygujących – nie brakowało np. wyników fałszywie dodatnich. Zdarzało się, że komórki ciała danio fluoryzowały również wtedy, gdy w ramach prób kontrolnych do wody dodawano same znakowane plazmidy bez EOD albo samo EOD bez plazmidów. Autorzy nie są pewni, czym były spowodowane takie wyniki; jedną z przyczyn mogła być, według nich, autofluorescencja wywołana elektrycznym uszkodzeniem komórek albo spontaniczne wbudowywanie środowiskowych genów bez bodźca elektrycznego.