Ideja linearnog progresa obično se veže uz evoluciju, no to je filozofska, a ne biološka ideja. Nekako se preslikala iz filozofije u biologiju, ali po svemu što danas znamo, to uopće ne mora biti tako. Može se krenuti od kompleksnog pa ići prema simplifikaciji ili obrnuto, ali možemo imati i faze jednog pa drugog smjera.

Danas imamo razvijen cijeli niz alata pomoću kojih na velikoj skali, od početka života pa do danas, u različitim grupama organizama – bakterijama, biljkama, životinjama, možemo promatrati kako se mijenjala kompleksnost genoma, reći će nam dr. sc. Tomislav Domazet-Lošo, viši znanstveni suradnik na Zavodu za molekularnu biologiju zagrebačkog Instituta Ruđer Bošković i izvanredni profesor na Hrvatskom katoličkom sveučilištu, u razgovoru koji smo vodili u povodu novoga otkrića njegova znanstvenog tima.

​Trinaest znanstvenika s europskih i hrvatskih instituta i sveučilišta sudjelovalo je u istraživanju biofilma bakterije Bacillus subtilis te su rezultati objavljeni u znanstvenom časopisu Molecular Biology and Evolution, koji objavljuje Oxford University Press.

Tri stadija razvoja

U radu »Embryo-Like Features in Developing Bacillus subtilis Biofilms« iznose dokaze da ontogeneza (nastanak i razvoj) biofilma bakterije Bacillus subtilis ponavlja filogenezu (razvoj živih bića kroz povijest Zemlje) na razini ekspresije te da je formacija biofilma spomenute bakterije vrlo regulirana i organizirana u jasno odijeljene ontogenetske (razvojne) faze, poput onih kod eukariotskih embrija.

Ta otkrića sugeriraju da je razvoj bakterijskog biofilma (biofilm – bakterije koje se organiziraju u koordiniranu funkcionalnu zajednicu) usporediv s razvojem kod životinja, biljaka i gljiva. Što bi to laički značilo, koliko je trajalo istraživanje te kako je došao na ideju da bakterije možda nisu jednostanični organizmi, pojasnio nam je naš sugovornik.

– Prije desetak godina na jednoj konferenciji u Njemačkoj u razgovoru sa zoologom Thomasom Boschom pomislio sam da bakterije možda nisu jednostanični organizmi i to je bila hipoteza koju sam htio provjeriti.

Istraživanjem smo vidjeli da razvoj biofilma bakterije Bacillus subtilis ima memoriju o svojoj evolucijskoj prošlosti, a to je nešto što imaju embriji. Kad se embrij razvija, on prolazi kroz faze koje ubrzano ponavljaju nešto što se događalo u dubokoj evolucijskoj prošlosti.

Na primjer, u razvoju svih sisavaca, embriji imaju škržne otvore, kao memoriju o evolucijskoj prošlosti, ali se razvojem embrija škržni otvori dalje transformiraju u druge strukture glave. To je ta memorija o evolucijskoj prošlosti, a što smo otkrili i kod bakterijskog biofilma.

Upravo je to saznanje glavni rezultat koji nam omogućuje da kažemo da se biofilmovi ponašaju vrlo slično embrijima, ali nismo se zadovoljili samo time, već smo odlučili ići i dalje.

Taj rezultat odnosi se na molekularnu razinu, ali nas je zanimalo možemo li ga pratiti i na morfološkoj razini. Za to je trebalo pratiti razvitak biofilma, odnosno snimati ga u točno određenim intervalima.

Kako je nepraktično da jedan znanstvenik stalno dežura u laboratoriju i skida poklopac zdjelice u kojoj se razvija biofilm da bi ga fotografirao, napravili smo i programirali robotsku ruku koja će to raditi.

Na temelju snimaka smo utvrdili da kod Bacillusa postoje tri različita stadija – rani, srednji i kasni biofilm – to smo morfološki uočili. Kada imate neki organizam i želite opisati njegov razvojni ciklus, morate definirati različite stadije, to je u razvojnoj biologiji standard, kaže Domazet-Lošo.

Prvi život

Potom su išli korak dalje i radili dodatne bioinformatičke analize na 11 vremenskih uzoraka. Svaki je pokazivao neku svoju specifičnost, odnosno, niti jedan nije bio ponavljanje onog prije te je svaki imao set svojih funkcija.

Rani biofilm koristi puno gena koji su važni za metabolizam i gena koji su važni za dobivanje metala iz okoliša. Pri prijelazu s ranog na srednji biofilm ima puno nepoznatih gena kojima za sada ne znaju funkciju, te će to biti predmet nekih budućih istraživanja, dok srednji ima gene koji su važni za nastanak spora – rasplodnih oblika, koje mogu letjeti zrakom te se Bacillus može drugdje naseliti.

U kasnom biofilmu otkrili su da se aktivira puno mobilnih genetičkih elemenata – ostataka virusa koji su inficirali bakterije.

No, infekcije virusima nisu uvijek štetne za bakterije te one nekad iskoriste viralne gene za svoje potrebe. Tako i u Bacillusovu genomu postoji popriličan broj ostataka virusa koje Bacillus danas koristi za svoje fiziološke potrebe.

Nakon ovog konkretnog istraživačkog dijela, dotakli smo se činjenice da su najstariji poznati fosili, stromatoliti, zapravo biofilmovi cijanobakterija te tvrdnje iznesene u radu da će trebati ponovo promisliti je li prvi život bio jednostaničan.

– U literaturi je ideja kako je prvi život bio jednostaničan, na neki način, izjavna rečenica bez bilo kakvih ozbiljnijih argumenata zašto bi to bilo nužno. No, ako se, prema našem istraživanju, današnji biofilmovi ponašaju kao višestanični organizmi, vjerojatno je da su i stromatoliti imali isto svojstvo.

A ako to pretpostavimo, onda znači da je prvi život bio višestaničan. Prema različitim modelima nastanka prvih stanica i prvog života vidi se da protostanice koje će u jednom trenutku dati pravi život nikad nisu »solo«.

Istraživači nisu davali tome naglasak, ali kad pročitate te modele, vidite da su to uvijek protobiofilmovi koji se u jednom trenutku transformiraju u život. Zato tvrdimo da treba još jednom razmisliti je li logično da život starta od jedne stanice ili kao grupa stanica od samoga početka, naglašava Domazet-Lošo.

Da je evolucija zasnovana na suradnji tvrdi Bruce Lipton, autor knjige »Biologija vjerovanja«, te se iz toga može zaključiti da je za preživljavanje najvažnija suradnja. Na pitanje može li se to povezati s njihovim otkrićem, naš sugovornik kaže da nije čitao spomenutu knjigu, ali da u fokusu evolucije nije direktno preživljavanje.

Fokus evolucije

– U fokusu je evolucije uvijek razmnožavanje, odnosno pitanje može li se organizam razmnožiti ili ne. Također, treba vidjeti u kojoj se ekološkoj niši organizam nalazi. Postoje ekološke niše gdje ste u prednosti ako ste u grupi, a postoje i ekološke niše gdje je možda prednost biti »solo«.

Meni se čini da na početku života nije bilo drugog izbora nego biti u grupi, jer prvi život nastaje na dnu oceana na hidrotermalnim izvorima. To je negostoljubiv okoliš bez organske tvari te su jedini izvor hrane drugi organizmi oko vas.

To je bila prva ekološka niša, a kasnije, kad se život proširio po zemlji, kad je nastao pravi ekosustav s prvim hranidbenim lancima, onda su se otvorile mogućnosti da više ne morate biti usko u grupi.

Onda se, recimo, javljaju eukarioti, koji su puno veće stanice od bakterija i koji su predatori te mogu loviti biofilmove ili pojedinačne bakterije. I tako se događalo tijekom evolucijskog vremena – bilo je perioda kada je nastajala višestaničnost, ali je bilo i primjera kada je dolazilo do simplifikacije. Jedan primjer simplificiranja iz višestaničnog u jednostanični organizam su kvasci.

Gljive su originalno višestanične, ali se dio gljiva sekundarno pojednostavio u kvasce, jer su zauzele ekološke niše u kojima im je to više odgovaralo, opisuje Domazet-Lošo.

Govoreći o evoluciji ne možemo zaobići Charlesa Darwina, čije je djelo »O podrijetlu vrsta« imalo (i ima) golem utjecaj na biologiju i znanost općenito. Iako u Darwinovo vrijeme – prošle godine navršilo se 160 godina od objave spomenute prijelomne knjige – još nije postojala jasna ideja kako su građeni biološki sustavi i Darwin nije poznavao molekularne mehanizme, govoreći općenito o prirodnoj selekciji, Darwin nije bio u krivu, samo smo ga nadopunili.

Tako danas znamo da se genski materijal ne prenosi samo mutacijom, vertikalno, već i da postoji horizontalni prijenos gena. Tako, na primjer, gen za otpornost na jednu vrstu antibiotika može prijeći horizontalno u potpuno drugu bakteriju te se to može dogoditi ne samo kod bakterija, već i kod životinja, biljaka, kao rezultat infekcije ili parazitizma. Također, na primjer, transpozon, dio DNA, koji može prijeći iz jednog dijela genoma u organizmu u drugi, može prelaziti i iz organizma u organizam, pa čak i između vrsta.

– Darwin kroz opservacije živoga svijeta i proučavanjem geologije sluti najvažniji mehanizam – prirodnu selekciju. U isto vrijeme jako je znanstveno inteligentan i ne zaustavlja se samo na tome. On osjeća i predviđa da postoji genetički »drift«, odnosno slučajnost u evolucijskim promjenama.

To smo nadopunili kada smo ušli u eru molekularne biologije, otkad možemo pratiti promjene na nukleinskim kiselinama, DNA i RNA sekvencama. Od tad možemo razviti alate i metode proučavanja slučajnosti i tu smo najviše nadopunili ono što je Darwin postavio.

Njegov je opus relevantan i dan-danas te i ja, kada krenem u znanstveno-istraživački rad, volim pročitati što je Darwin mislio o tome. Njegove stare ideje mogu vas nadahnuti kojim putem krenuti i zato je on s pravom, po mojem mišljenju, jedan od najcjenjenijih znanstvenika općenito, a pogotovo 19. stoljeća, kaže Domazet-Lošo.

Eugeničke tendencije

Spomenuti napredak tehnologije je pak omogućio da danas možemo pratiti i je li došlo do adaptacije na molekularnoj razini pa čak i krenuti u »in vitro« evoluciju, odnosno pratiti evoluciju u laboratoriju, jer je ona u prirodi često spora.

Evolucijski procesi kod bakterija se u laboratoriju mogu pratiti u realnom vremenu – tjednima i mjesecima, što je neusporedivo malo u odnosu na druge evolucijske procese. Također, danas se sve više radi na alatima koji mogu direktno mijenjati gene i to otvara mnoga etička pitanja. Kada znamo koji su geni odgovorni za koje karakteristike, možemo poželjeti ih mijenjati, što vrlo lako vodi u eugeniku.

– Nažalost eugeničke tendencije nisu izumrle i vuku se od samog nastanka te ideologije u ovom ili onom obliku do danas. No, po mojem mišljenju tu vlada velika zabluda. Ljudi misle da će parcijalno mijenjajući dijelove genoma postići željeni učinak, ali na tom principu upravo ne radi evolucija.

Ako imate varijabilnu populaciju, vjerojatnost preživljavanja barem nekih jedinki je puno veća nego kad bi sve imale »idealan« genetski materijal. Cijela evolucija nas uči da ako vrsta zapadne u unificirano stanje, to u vrlo kratkom roku vodi u izumiranje.

Ja se grozim i užasavam nad pokušajima stvaranja »savršenijeg« čovjeka. To je potpuna ludost jer nas može odvesti u propast. Nadam se da nećemo svojom prevelikom bahatošću prouzročiti da odemo prije nego što nam je vrijeme, kaže Domazet-Lošo.

Osim etičkih dvojbi koje se javljaju sve većim razvojem tehnologije, također postoji i puno »koketiranja« društvenih znanosti s evolucijskom biologijom, a da bi ta suradnja bila ispravna i dobra, trebaju se dubinski razumjeti i molekularna biologija i evolucijska molekularna biologija jer se često upada u grešku da se dobar dio psiholoških fenomena pokušava objasniti isključivo adaptivnim procesima, to jest procesima koji su nastali prirodnom selekcijom.

– To ne mora biti tako, oni mogu biti ishod i stohastičkog, slučajnog procesa. Također u tim »koketiranjima« često se ne ide na logični korak – pronaći gen koji je u pozadini svojstva kako bismo na molekularnoj razini mjerili evolucijske sile i vidjeli je li djelovao »drift« ili selekcija te kad se on dogodio, kaže Domazet-Lošo.

​​Promjena kompleksnosti

​Asocijacija na suradnju između društvenih, ali i humanističkih znanosti i biologije neizbježno vodi do Richarda Dawkinsa, koji će, reći će mnogi, miješa svoje stavove i promišljanja u biologiju.

– Dawkins se zapravo znanošću prestao baviti nakon što je napisao doktorat. Nikad se nije bavio evolucijskom biologijom i njegove knjige općenito su prežvakavanje rezultata drugih autora i guranje u jedan ekstremni redukcionizam koji u stvarnom istraživanju nije upotrebljiv.

Kao što sam rekao da i danas mogu konzultirati Darwina, tako mogu reći da nikad nisam imao potrebu vidjeti što Dawkins piše o nekom problemu ili teoriji, opisuje naš sugovornik.

​Nakon upravo objavljenog rada, dr. sc. Tomislav Domazet-Lošo radit će na projektu u sklopu programa »Marie Curie« gdje će slično istraživanje provesti na patogenim bakterijama, što će imati i biomedicinski značaj. Također, njegov tim jako je fokusiran i na proučavanje promjena u kompleksnosti života kroz vrijeme

– Zanima nas kako se kompleksnost mijenjala. Preliminarno vam mogu reći da smo otkrili da su prvi majmuni imali kompleksniji genom nego što mi imamo sad. Otkrili smo da imamo reduciraniji genom, a to je nekad i prednost jer svaki gen u genomu košta.

Odnosno, svaki tip gena u genomu energetski košta. Morate imati i tvari i energiju da koristite taj gen. Nekad vam je lakše pojednostaviti se, imati manje gena u genomu, a ono što vam biokemijski treba dobiti iz okoliša.

Ako možete nešto iz okoliša pojesti, to je isplativije nego da sami morate proizvesti tu tvar. Na primjer, mi ne proizvodimo sve vitamine, vitamin C moramo uzeti iz okoliša, jer proizvodnja vitamina košta.

Ne proizvodimo ni sve aminokiseline, osnovne građevne elemente naših proteina, već ih moramo pojesti. Cijela ekonomija koju mi danas znamo, i koju ćemo znati, već je prije postojala u biologiji. Biologija je prva ekonomizirala sve moguće resurse.

Sudionici u istraživanju

U istraživanju su sudjelovali dr. sc. Momir Futo, Institut Ruđer Bošković (IRB), dr. med. Luka Opašić, IRB i Institut Max Plank za evolucijsku biologiju Ploen, Njemačka, Sara Koska, IRB, Nina Čorak, IRB, Tin Široki, Fakultet elektrotehnike i računarstva (FER), Zagreb, dr. sc. Vaishnavi Ravikumar, Tehničko sveučilište u Danskoj, Kgs. Lyngby, Annika Thorsell, Akademija Sahlgrenska, Sveučilište Goteborg, Švedska, Maša Lenuzzi IRB i Institut Max Planck za razvojnu biologiju, Tubingen, Njemačka, Domagoj Kifer, Farmaceutsko-biokemijski fakultet, Zagreb, izv. prof. dr. sc. Mirjana Domazet-Lošo (FER), prof. dr. sc. Kristian Vlahoviček, PMF, Zagreb i Sveučilište u Skovdeu, Švedska, prof. dr. sc. Ivan Mijaković, Tehničko sveučilište u Danskoj Kgs. Lyngby i Tehnološko sveučilište Chalmers, Goteborg, Švedska te izv. prof. dr. sc. Tomislav-Domazet-Lošo, IRB i Hrvatsko katoličko sveučilište Zagreb.

Genomska filostratigrafija – alati za mjerenje

Da bi mogli provesti ovo istraživanje, naš sugovornik i njegov tim morali su prvo prilagoditi cijeli set alata koji okvirno možemo nazvati genomska filostratigrafija, a koji je Tomislav Domazet-Lošo razvio još 2007. godine u suradnji s Josipom Brajkovićem i dr. sc. Diethardom Tautzom, ravnateljem Max Planck Instituta za evolucijsku biologiju u Ploenu, u Njemačkoj.

Genomska filostratigrafija omogućuje mjerenje ukupne evolucijske starosti aktivnih gena tijekom svake faze embrionalnog razvitka i čini veliku prekretnicu u proučavanju evolucije. No, prvotno je razvijena za proučavanje (embrionalnog) razvoja kod životinja te su je morali prilagoditi za bakterije.

– Trebalo je puno posla jer bakterije imaju drugačije genome i traže drugačije bioinformatičke usporedbe. Danas se znanstvenici uglavnom specijaliziraju za pojedino područje, ali uočio sam tu komparativnu prednost, da možemo uzeti naš alat i prijeći u drugu disciplinu ako budemo dovoljno hrabri.

Tako smo iz evolucijske razvojne biologije životinja uskočili u mikrobiologiju biofilmova. Želim naglasiti da nam je jako pomogao profesor Ivan Mijaković, koji je stručnjak za bakteriju Bacillus subtilis.

Vjerojatno nitko prije nas nije izolirao RNA molekule i proteine iz jako starih biofilmova, pod time mislim na biofilmove stare 1-2 mjeseca, ali i to smo uspjeli te mogu reći da je ovaj naš eksperimentalni set podataka vjerojatno najbolji tog tipa koji uopće postoji za ovu vrstu bakterije.

Kada smo kvantificirali proteine i sekvencirali RNA molekule svih gena tijekom razvoja biofilma, trebalo je napraviti bioinformatičku analizu tih podataka. Za to su nam trebali novi računalni programi i to je bio velik izazov, ali su nam puno pomogli naši suradnici s FER-a i PMF-a, pogotovo profesor Vlahoviček s kojim intenzivno surađujemo. I kad se to sve analizira, došli smo do ultra zanimljivih rezultata, zaključuje Domazet-Lošo.