Υπό πίεση, εξελίσσεται η εξέλιξη;
Το 1996, η Σούζαν Ρόζενμπεργκ, νεαρή τότε καθηγήτρια στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα, πραγματοποίησε ένα ριψοκίνδυνο και επίπονο πείραμα. Η ομάδα της εξέτασε επίπονα εκατοντάδες χιλιάδες βακτηριακές αποικίες που αναπτύχθηκαν υπό διαφορετικές συνθήκες, γεμίζοντας τις αίθουσες έξω από το εργαστήριό της με δεκάδες χιλιάδες πλάκες βακτηρίων. «Μύρισε», θυμήθηκε ο Ρόζενμπεργκ γελώντας. "Οι συνάδελφοί μου με μισούσαν."
Ο βιολόγος, τώρα στο Baylor College of Medicine στο Χιούστον, ήλπιζε να επιλύσει μια μεγάλη συζήτηση που είχε ταλαιπωρήσει τη βιολογία σε διαφορετικές ενσαρκώσεις για περισσότερα από 100 χρόνια. Ήταν οι οργανισμοί ικανοί να αλλάξουν τους εαυτούς τους για να καλύψουν τις ανάγκες του περιβάλλοντός τους, όπως είχε προτείνει ο Jean Baptiste Lamarck στις αρχές του 1800; Ή μήπως οι μεταλλάξεις εμφανίστηκαν τυχαία, δημιουργώντας ένα μείγμα επιβλαβών, ακίνδυνων ή ευεργετικών αποτελεσμάτων, τα οποία με τη σειρά τους τροφοδότησαν τη διαδικασία δοκιμής και λάθους της φυσικής επιλογής, όπως πρότεινε ο Κάρολος Δαρβίνος στο «On the Origin of Species»;
Μολονότι οι ιδέες του Δαρβίνου έχουν ξεκάθαρα θριαμβεύσει στη σύγχρονη βιολογία, οι υπαινιγμοί ενός πιο Λαμαρκικού στυλ κληρονομικότητας συνέχισαν να εμφανίζονται. Τα πειράματα του Ρόζενμπεργκ εμπνεύστηκαν από μια αμφιλεγόμενη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1980, η οποία πρότεινε ότι τα βακτήρια θα μπορούσαν με κάποιο τρόπο να κατευθύνουν την εξέλιξή τους, "επιλέγοντας ποιες μεταλλάξεις θα συμβούν", έγραψαν οι συγγραφείς - μια σύγχρονη εκδοχή της Λαμαρκικής θεωρίας από έναν σύγχρονο μοριακό βιολόγο.
Τα αποτελέσματα του Ρόζενμπεργκ, που δημοσιεύθηκαν το 1997, αμφισβήτησαν αυτά τα ευρήματα, όπως και άλλα πριν, αλλά με μια ανατροπή. Αντί να στοχεύουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως θα είχε προβλέψει η θεωρία του Lamarck, οι μεταλλάξεις έπληξαν τυχαία γονίδια, με μερικά καλά αποτελέσματα και μερικά άσχημα. Ωστόσο, η διαδικασία δεν ήταν εντελώς τυχαία. Τα ευρήματα του Rosenberg πρότειναν ότι τα βακτήρια ήταν ικανά να αυξήσουν τα ποσοστά μετάλλαξης τους, τα οποία με τη σειρά τους θα μπορούσαν να παράγουν στελέχη ικανά να επιβιώσουν σε νέες συνθήκες.
«Τα κύτταρα είναι σε θέση να προσαρμοστούν στο άγχος όχι γνωρίζοντας ακριβώς τι πρέπει να κάνουν, αλλά ρίχνοντας τα ζάρια ως πληθυσμό και κάνοντας τυχαίες αλλαγές στο γονιδίωμα», δήλωσε ο James Broach, βιολόγος στο Κολλέγιο Ιατρικής του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια στο Hershey. που μελετά παρόμοιο φαινόμενο στη μαγιά. "Αυτό θα επιτρέψει στους αγχωμένους απογόνους να βρουν μια οδό διαφυγής."
Ο Ρόζενμπεργκ περίμενε ότι η βιολογική κοινότητα θα ανακουφιζόταν. Ο Δαρβίνος, άλλωστε, είχε επικρατήσει. Όμως ορισμένοι επιστήμονες αμφισβήτησαν τα ευρήματα. Πράγματι, η έρευνα πυροδότησε συζητήσεις που διαδραματίστηκαν στις σελίδες επιστημονικών περιοδικών για αρκετά χρόνια. Η ακριβής μέτρηση των ρυθμών μετάλλαξης μπορεί να είναι δύσκολη και δεδομένου ότι οι περισσότερες μεταλλάξεις είναι επιβλαβείς για το κύτταρο, η αύξηση της συχνότητάς τους φαινόταν σαν μια επικίνδυνη εξελικτική κίνηση.
Ωστόσο, την τελευταία δεκαετία, εργαστήρια σε όλο τον κόσμο έχουν βρει παρόμοια μοτίβα σε βακτήρια, ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα και φυτά. Και ο Rosenberg και άλλοι έχουν εντοπίσει τους μοριακούς μηχανισμούς που κρύβονται πίσω από τις μεταλλάξεις που προκαλούνται από το στρες, οι οποίες διαφέρουν από οργανισμό σε οργανισμό.
Οι επιστήμονες αρχίζουν τώρα να διερευνούν πώς αυτοί οι μηχανισμοί μπορούν να στοχευθούν σε ιατρικές θεραπείες, όπως νέες θεραπείες καρκίνου και αντιβιοτικά μακράς διαρκείας. Η έρευνα παρέχει πληροφορίες για το πώς τόσο τα καρκινικά κύτταρα όσο και τα παθογόνα βακτήρια αναπτύσσουν αντίσταση στη θεραπεία, ένα επίμονο και θανατηφόρο πρόβλημα που έχει ταλαιπωρήσει τους γιατρούς και τους προγραμματιστές φαρμάκων.
Τον περασμένο Μάρτιο, για παράδειγμα, ο Ivan Matic, διευθυντής ερευνών στο Γαλλικό Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας και Ιατρικής Έρευνας στο Παρίσι, και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα πολύ χαμηλά επίπεδα αντιβιοτικών, που υπάρχουν στην παροχή νερού από ανθρώπινα και ζωικά απόβλητα, ήταν αρκετά για να ωθήσουν βακτήρια σε κατάσταση πίεσης, ενισχύοντας τα ποσοστά μετάλλαξής τους. «Είναι ένα θεαματικό παράδειγμα μετάλλαξης που προκαλείται από το στρες», είπε ο Μάτιτς, τα ευρήματα του οποίου δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications πέρυσι. Ορισμένες από αυτές τις μεταλλάξεις έκαναν τα βακτήρια ανθεκτικά στα αντιβιοτικά, υποδηλώνοντας ότι η έκθεση σε χαμηλή δόση ενός αντιβιοτικού θα μπορούσε να προκαλέσει τα βακτήρια να αναπτύξουν αντίσταση και σε άλλα αντιβιοτικά.
Οι περισσότεροι επιστήμονες αποδέχονται πλέον ότι το άγχος ενισχύει τα ποσοστά μεταλλάξεων σε ορισμένους οργανισμούς, αν και παραμένουν ερωτήματα σχετικά με το πόσο το φαινόμενο συμβάλλει στην εξέλιξή τους. "Αυτό που είναι αμφιλεγόμενο τώρα είναι αν τα κύτταρα εξελίχθηκαν για να το κάνουν αυτό για να δημιουργήσουν μεταλλάξεις", δήλωσε η Πατρίσια Φόστερ, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα στο Μπλούμινγκτον.
Μοριακά λάθη
Το 1943, ο Max Delbrück και ο Salvador Luria, δύο από τους ιδρυτές της μοριακής βιολογίας, πραγματοποίησαν ένα πείραμα ορόσημο σχεδιασμένο να εξετάσει τη φύση της μετάλλαξης. Έδειξαν ότι οι μεταλλάξεις στα βακτήρια προκύπτουν αυθόρμητα, παρά ως απόκριση σε μια συγκεκριμένη περιβαλλοντική πίεση. Το έργο, το οποίο τους κέρδισε τελικά το βραβείο Νόμπελ, ήταν ακόμη πιο εντυπωσιακό δεδομένου ότι οι επιστήμονες δεν γνώριζαν ακόμη τη δομή του DNA.
Τώρα γνωρίζουμε ότι οι μεταλλάξεις προκύπτουν με διάφορους τρόπους, συνήθως όταν ένα κύτταρο αντιγράφει ή επισκευάζει το DNA του. Κάθε τόσο, ο μοριακός μηχανισμός που παράγει το DNA εισάγει το λάθος δομικό στοιχείο ή ο μηχανισμός αντιγραφής πηδά αλλού στο γονιδίωμα και αντιγράφει το λάθος κομμάτι. Αυτές οι αλλαγές μπορεί να μην έχουν καμία επίδραση ή μπορούν να αλλάξουν τη δομή της πρωτεΐνης που παράγει το DNA, αλλάζοντας τη λειτουργία της προς το καλύτερο ή, πιο συχνά, προς το χειρότερο.
Σύμφωνα με το μοντέλο των Delbrück και Luria, αυτά τα ατυχήματα συμβαίνουν τυχαία, αυξάνοντας σταδιακά με την πάροδο του χρόνου. Αλλά οι επιστήμονες έχουν σκεφθεί περιστασιακά μια εναλλακτική - ότι οι οργανισμοί μπορούν σε ορισμένες περιπτώσεις να ελέγχουν τον τρόπο μετάλλαξης, επιτρέποντάς τους να εξελιχθούν ταχύτερα για να προσαρμοστούν σε νέα περιβάλλοντα. Πράγματι, σε αδημοσίευτη αλληλογραφία, ο κάποτε σύμβουλος του Ντελμπρούκ, Βόλφγκανγκ Πάουλι, αμφισβήτησε εάν η διαδικασία μετάλλαξης θα μπορούσε να είναι πραγματικά τυχαία. Όπως θυμάται ο Rosenberg, ο οποίος διάβασε τις επιστολές σε ένα συνέδριο το 2007, ο Pauli υποστήριξε ότι «ένα απλό πιθανό μοντέλο δεν θα ήταν αρκετό για να δημιουργήσει τη φανταστική ποικιλομορφία που βλέπουμε».
Η συζήτηση εμφανίστηκε ξανά το 1988, όταν ο βιολόγος John Cairns και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ έκαναν μια προκλητική πρόταση στο περιοδικό Nature, ότι τα βακτήρια μπορούσαν με κάποιο τρόπο να επιλέξουν ποια γονίδια θα μεταλλάξουν. Τα στοιχεία; Τα βακτήρια που δεν μπορούν να αφομοιώσουν μια ζάχαρη που ονομάζεται λακτόζη εξέλιξαν αυτή την ικανότητα όταν δεν τους δόθηκε άλλη εναλλακτική τροφή. «Η εφημερίδα ήταν εξαιρετικά αμφιλεγόμενη», θυμάται ο Φόστερ, φίλος του Κερνς που συνεργάστηκε μαζί του σε μελέτες παρακολούθησης. "Τα γράμματα πετούσαν πέρα δώθε."
Η ιδέα ότι τα κύτταρα μπορούν να ρυθμίσουν τους ρυθμούς μετάλλαξης τους δεν είναι τόσο περίεργη όσο μπορεί να φαίνεται. Ορισμένα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος, για παράδειγμα, μεταλλάσσονται πολύ πιο συχνά από άλλα, επιτρέποντάς τους να παράγουν ποικιλίες αντισωμάτων που μπορούν να υποτάξουν νέους εισβολείς. Αλλά αυτά τα κύτταρα περιορίζονται στο ανοσοποιητικό σύστημα και δεν μεταφέρουν τις μεταλλάξεις τους στην επόμενη γενιά.
Ήταν το εύρημα της Κερνς που ενέπνευσε τη Ρόζενμπεργκ να κάνει τα πειράματά της. Υποψιαζόταν ότι η πρότασή του ήταν λάθος, αλλά όχι εντελώς. «Οι άνθρωποι το πολέμησαν για πέντε χρόνια στα πρωτοσέλιδα μεγάλων περιοδικών», είπε. "Ήταν σαφές για μένα ότι ήταν μια εξαιρετικά σημαντική ερώτηση."
Μεταγενέστερη έρευνα τόσο από τον Rosenberg όσο και από τον Foster έδειξε ότι οι μεταλλάξεις ήταν διάσπαρτες στο γονιδίωμα του E. coli, αντί να κατευθύνονται σε συγκεκριμένα γονίδια, όπως είχε προτείνει ο Cairns. (Ο Κερνς εγκατέλειψε την υπόθεσή του μετά από πειράματα παρακολούθησης με τον Φόστερ.) Διαπίστωσαν επίσης ότι το άγχος, συμπεριλαμβανομένης της έλλειψης τροφής, ήταν ένας κρίσιμος παράγοντας για την ενίσχυση του ρυθμού μετάλλαξης.
«Ήταν μια έκπληξη για τον κόσμο», είπε ο Rosenberg. «Τα κύτταρα στην πραγματικότητα αποφασίζουν να αυξήσουν τον ρυθμό μετάλλαξης τους όταν δεν είναι καλά προσαρμοσμένα στο περιβάλλον. Αυτό είναι ένα διαφορετικό είδος εικόνας από τη συνεχή τυχαία μετάλλαξη που είναι τυφλή στο περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται το κύτταρο."
Με υπόβαθρο στη μοριακή βιολογία και όχι στην εξέλιξη, ο Ρόζενμπεργκ θεώρησε ότι ο μόνος τρόπος για να καταπνίξει τον εναπομένοντα σκεπτικισμό ήταν να καταλάβει πώς σχηματίζονταν οι μεταλλάξεις. Αυτή και ο Φόστερ πέρασαν ανεξάρτητα τα επόμενα χρόνια για να καταλάβουν τον μοριακό μηχανισμό που κρύβεται πίσω από την αλλαγή στη συχνότητα μετάλλαξης στο E. coli. Υπό κανονικές συνθήκες, τα βακτήρια χρησιμοποιούν ένα ένζυμο που αντιγράφει προσεκτικά το DNA. Ωστόσο, οι Rosenberg και Foster ανακάλυψαν ότι όταν τα βακτήρια βρίσκονται υπό πίεση, ένα ένζυμο επιρρεπές σε σφάλματα αναλαμβάνει, αυξάνοντας τη συχνότητα των μεταλλάξεων.
Ορισμένοι επιστήμονες εξακολουθούν να είναι δύσπιστοι, αν όχι για το ίδιο το φαινόμενο, τότε για το πόσο σημαντικό είναι για την επιβίωση και την εξέλιξη ενός οργανισμού. Στο επίκεντρο της συζήτησης βρίσκεται ένα παράδοξο. Οι περισσότερες τυχαίες μεταλλάξεις θα είναι επιβλαβείς για τον οργανισμό, καταργώντας, για παράδειγμα, ζωτικές πρωτεΐνες. Επομένως, πιο συχνές μεταλλάξεις είναι πιθανό να δημιουργήσουν έναν πληθυσμό λιγότερο κατάλληλο. «Οι άνθρωποι εξακολουθούν να αμφιβάλλουν για το φαινόμενο γιατί πιστεύουν ότι θα ήταν δυσπροσαρμοστικό», είπε ο Φόστερ. «Η αύξηση του ποσοστού μετάλλαξης θα αύξανε τις επιβλαβείς μεταλλάξεις καθώς και τις πλεονεκτικές». Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η εξέλιξη δεν θα επέλεγε έναν τέτοιο μηχανισμό, είπε.
Ωστόσο, αποτελέσματα πειραμάτων μοντελοποίησης που έχουν σχεδιαστεί για να μιμούνται τις πραγματικές συνθήκες υποδηλώνουν ότι η ενίσχυση του ρυθμού μετάλλαξης σε περιόδους στρες είναι ωφέλιμη τόσο για τα μεμονωμένα κύτταρα όσο και για το συνολικό πληθυσμό, ακόμη και αν ευεργετικές μεταλλάξεις συμβαίνουν σπάνια. «Πιστεύουμε ότι είναι ενσωματωμένο στο σύστημα ως μέσο για να αντισταθμίσουν τα στοιχήματά τους τα κύτταρα με βάση τις μελλοντικές συνθήκες», είπε ο Broach. Τα μεμονωμένα κύτταρα χρησιμοποιούν διαφορετικές στρατηγικές για την αντιμετώπιση του άγχους, είπε, αλλά «επειδή [τα κύτταρα] σχετίζονται, η δεξαμενή γονιδίων θα επιβιώσει».
Ένα άλλο ερώτημα είναι εάν οι μεταλλάξεις που προκαλούνται από το στρες είναι μοναδικές για το E. coli που καλλιεργείται στο εργαστήριο ή αν βρίσκονται σε πολλά βιολογικά συστήματα. Ωστόσο, μια σειρά από μελέτες σε άλλα μικρόβια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων στην άγρια φύση, και άλλους οργανισμούς υποδηλώνουν ότι οι μεταλλάξεις που προκαλούνται από το στρες είναι ένα ευρέως διαδεδομένο φαινόμενο.
Πέρα από τα βακτήρια
Λίγο αφότου η Rosenberg δημοσίευσε τα αρχικά της πειράματα στα βακτήρια τη δεκαετία του 1990, ο Peter Glazer, γιατρός και βιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Yale, άρχισε να κάνει παρόμοιες ανακαλύψεις στον καρκίνο. Όταν οι όγκοι αναπτύσσονται γρήγορα, ορισμένα καρκινικά κύτταρα δεν διαθέτουν επαρκή ροή αίματος, η οποία περιορίζει την πρόσβαση στο οξυγόνο και τα βάζει σε σημαντικό άγχος. Ο Γκλέιζερ διαπίστωσε ότι παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο τα βακτηριακά κύτταρα που πεθαίνουν από την πείνα ή με άλλο τρόπο αυξάνουν τα ποσοστά μετάλλαξης, τα καρκινικά κύτταρα που στερούνται οξυγόνου υφίστανται συχνότερες μεταλλάξεις. Την τελευταία δεκαετία, ο Glazer έχει περιορίσει τον μηχανισμό αυτού του φαινομένου — οι μοριακές διεργασίες που συνήθως επιδιορθώνουν το ελαττωματικό DNA καταστέλλονται.
Αν και τα διαφορετικά συστήματα που έχουν μελετηθεί μέχρι σήμερα χρησιμοποιούν διαφορετικούς μηχανισμούς για την αντιμετώπιση του άγχους, «πολλά έχουν ως αποτέλεσμα να αυξάνεται [η συχνότητα μετάλλαξης]», είπε ο Matic. Οι μεταλλάξεις που προκαλούνται από το στρες στα παθογόνα βακτήρια που μελετά ο Matic, καθώς και σε κύτταρα ζυμομύκητα και καρκινικά, προκύπτουν από διαφορετικούς μηχανισμούς από ό,τι στο E. coli του Rosenberg.
Πιο πρόσφατα, ο Glazer και οι συνεργάτες του έχουν αρχίσει να σκέφτονται πώς να εφαρμόσουν τα ευρήματά τους στη θεραπεία του καρκίνου. Μία από τις προκλήσεις στη θεραπεία του καρκίνου είναι η εύρεση φαρμάκων που σκοτώνουν τα καρκινικά κύτταρα αλλά αφήνουν τα υγιή κύτταρα μόνα τους. Εάν ορισμένα μονοπάτια επιδιόρθωσης του DNA αλλάξουν στα καρκινικά κύτταρα, μπορείτε να αρχίσετε να αναζητάτε υποψήφια φάρμακα που στοχεύουν μηχανισμούς μοναδικούς στον καρκίνο, είπε ο Glazer. Επιπλέον, όπως και τα βακτήρια, οι όγκοι συχνά αναπτύσσουν αντίσταση σε νέα φάρμακα. Για την αντιμετώπιση τόσο του καρκίνου όσο και της αντοχής στα αντιβιοτικά, οι ερευνητές θα μπορούσαν να προσπαθήσουν να αποτρέψουν την επαγόμενη από το στρες μετάλλαξη σε καρκινικά κύτταρα ή βακτήρια.
Τόσο ο Rosenberg όσο και η Christine Queitsch, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ, είπαν ότι οι ιατροί ερευνητές θα πρέπει να εξετάζουν τους μοριακούς μηχανισμούς που οδηγούν ορισμένα κλινικά φαινόμενα, όπως η αντίσταση στα αντιβιοτικά ή η αντοχή στα φάρμακα στον καρκίνο, όταν αναπτύσσουν νέες θεραπείες. «Στην κλινική, συνήθως αντιμετωπίζουμε τα αποτελέσματα των εξελικτικών διεργασιών, για παράδειγμα κόβοντας τον καρκίνο», είπε ο Queitsch. "Δεν θα ήταν ωραίο αν μπορούσαμε να αφαιρέσουμε την ικανότητα του καρκινικού κυττάρου να εξελίσσεται;"
Τα βακτήρια, οι ζυμομύκητες και ακόμη και τα καρκινικά κύτταρα σε κάποιο βαθμό είναι ταχέως αναπτυσσόμενοι μονοκύτταροι οργανισμοί. Η μετάλλαξη που προκαλείται από το στρες περιορίζεται σε αυτά τα χαμηλά κύτταρα ή ισχύει και για πιο σύνθετους πολυκύτταρους οργανισμούς; Το φαινόμενο είναι πιο δύσκολο να μελετηθεί σε φυτά και ζώα για διάφορους λόγους, μεταξύ άλλων επειδή έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Ωστόσο, νέα στοιχεία δείχνουν ότι το στρες μπορεί να ενισχύσει την εμφάνιση μεταλλάξεων και σε πολυκύτταρους οργανισμούς.
Το 2012, η Queitsch διαπίστωσε ότι θα μπορούσε να προκαλέσει μεταλλάξεις στα φυτά μειώνοντας τη λειτουργία μιας πρωτεΐνης που ονομάζεται HSP90, η οποία βοηθά άλλες πρωτεΐνες να διπλώνουν σωστά — ή να αποκτήσουν τη λειτουργική τους μορφή — ειδικά σε περιόδους στρες. Όταν τα κύτταρα είναι πιεσμένα, περισσότερες πρωτεΐνες χρειάζονται HSP90 για να διπλωθούν σωστά και ανταγωνίζονται για τον πόρο. Σε αυτό το σενάριο, οι πρωτεΐνες επιδιόρθωσης του DNA μπορεί να διπλωθούν εσφαλμένα, παρεμποδίζοντας τη διαδικασία επιδιόρθωσης και οδηγώντας σε περισσότερες μεταλλάξεις.
Σε ένα άρθρο του Δεκεμβρίου που δημοσιεύτηκε στο Science, μια ομάδα ερευνητών - συμπεριλαμβανομένων των Lindquist και Clifford Tabin, βιολόγος στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ - διαπίστωσε ότι το HSP90 πιθανότατα έπαιξε ρόλο στο να χάσει τα μάτια ένα είδος ψαριού που κατοικεί σε σπήλαια. Σύμφωνα με το μοντέλο των επιστημόνων, η απότομη αλλαγή των συνθηκών που συνέβη όταν οι πρόγονοι των ψαριών που κατοικούσαν στην επιφάνεια παγιδεύτηκαν σε σπήλαια φορολογούσε το σύστημα HSP90. Αυτό το άγχος αποκάλυψε ότι μερικά από τα ψάρια είχαν υπάρχουσες μεταλλάξεις, δίνοντάς τους μικρότερα μάτια, τα οποία αποδείχθηκαν ευεργετικά για τη ζωή σε σκοτεινές σπηλιές. Μελετώντας στο εργαστήριο τα ξαδέρφια των ψαριών των σπηλαίων που κατοικούν στην επιφάνεια, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τόσο η μείωση της συγκέντρωσης του HSP90 όσο και η αλλαγή των συνθηκών του νερού, όπως θα μπορούσε να είχε συμβεί κατά τη μετάβαση σε σπηλιές, προκάλεσε σημαντική διακύμανση στο μέγεθος των ματιών.
Είναι πιθανό το ίδιο πράγμα να συμβαίνει και σε άλλους οργανισμούς, είπε ο Queitsch, επειδή το HSP90 είναι εξαιρετικά συντηρημένο, πράγμα που σημαίνει ότι οργανισμοί που κυμαίνονται από φυτά έως μύγες, σκουλήκια και ανθρώπους έχουν σχεδόν ακριβώς την ίδια πρωτεΐνη.
Οι μεταλλάξεις που προκαλούνται από το στρες έχουν πλέον παρατηρηθεί σε διάφορους οργανισμούς, «αλλά το ερώτημα είναι αν βοηθούν τον οργανισμό να προσαρμοστεί», δήλωσε ο Jan Drake, βιολόγος που πρόσφατα συνταξιοδοτήθηκε ως επικεφαλής της ομάδας Spontaneous Mutation &DNA Repair στο Εθνικό Ινστιτούτο. Επιστημών Περιβαλλοντικής Υγείας. Σύμφωνα με τον Drake, τα στοιχεία στους μονοκύτταρους οργανισμούς είναι ισχυρά. Ένα παράδειγμα είναι τα στρεσαρισμένα βακτήρια του Matic που αναπτύσσουν αντοχή στα αντιβιοτικά. Αλλά είναι ένα ανοιχτό ερώτημα για τα φυτά και τα ζώα, είπε.
Ατύχημα ή Μηχανή εξέλιξης;
Για τους επιστήμονες που αναπτύσσουν νέα φάρμακα, η κατανόηση ακριβώς του γιατί τα καρκινικά κύτταρα μεταλλάσσονται πιο συχνά υπό το στρες δεν έχει πραγματικά σημασία. Η απλή κατανόηση του πώς λειτουργεί - και πώς να το σταματήσετε - είναι πιθανό να βελτιώσει τις θεραπείες. Αλλά για άλλους, συμπεριλαμβανομένων των Rosenberg και Matic, η κινητήρια δύναμη πίσω από το φαινόμενο αντιπροσωπεύει μια από τις πιο ενδιαφέρουσες πτυχές της μετάλλαξης που προκαλείται από το στρες. «Οι περισσότεροι μοριακοί βιολόγοι ρωτούν πώς λειτουργεί, αλλά εγώ είμαι μειοψηφία στο ερώτημα γιατί», είπε ο Ρόζενμπεργκ. "Νομίζω ότι αυτές είναι οι πιο σημαντικές και συναρπαστικές ερωτήσεις."
Υπάρχουν δύο βασικές δυνατότητες:Τα κύτταρα θα μπορούσαν να έχουν εξελίξει αυτόν τον μηχανισμό ως ένα είδος μηχανής που ενισχύει την εξέλιξη, προκαλώντας υπερβολικές μεταλλάξεις ακριβώς όταν οι συνθήκες απαιτούν νέα χαρακτηριστικά. Το εναλλακτικό επιχείρημα είναι ότι το φαινόμενο είναι υποπροϊόν μοριακών μηχανισμών που εξελίχθηκαν για άλλους λόγους, όπως η ανάγκη επιδιόρθωσης της βλάβης του DNA όταν βρίσκεται υπό πίεση. Αν συμβαίνει αυτό, τα επιρρεπή σε σφάλματα ένζυμα — και ο υψηλότερος ρυθμός μετάλλαξης που παράγουν — είναι απλώς το τίμημα που πρέπει να πληρώσει το κύτταρο.
Είναι δύσκολο να αποδειχθεί πειραματικά τι προκάλεσε την ανάπτυξη ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού, αλλά τόσο ο Rosenberg όσο και ο Matic πιστεύουν ακράδαντα ότι η φύση εξέλιξε αυτόν τον μηχανισμό επίτηδες. «Είμαι πεπεισμένος ότι υπό ορισμένες συνθήκες, τα υψηλά ποσοστά μετάλλαξης μπορεί να είναι προσαρμοστικά για τα βακτήρια, αλλά αυτό παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα στην κοινότητα», είπε ο Μάτιτς. Έχει δείξει ότι ο μηχανισμός για τη δημιουργία μεταλλάξεων υπό πίεση είναι ιδιαίτερα ρυθμισμένος, υποδηλώνοντας ότι υπάρχει για κάποιο σκοπό, όχι ως υποπροϊόν άλλων δυνάμεων.
Η Foster είπε ότι πιστεύει ότι και οι δύο ερμηνείες είναι αληθινές. Πρότεινε ότι τα κύτταρα μπορεί να είχαν αρχικά εξελίξει διαφορετικούς μηχανισμούς επιδιόρθωσης DNA υπό πίεση για να βελτιώσουν την επιβίωση των κυττάρων. Τα υψηλότερα ποσοστά μετάλλαξης που προέκυψαν θα μπορούσαν να ήταν "ένα ατύχημα που διατηρήθηκε στο σύστημα λόγω προσαρμοστικής αξίας", είπε.
Για να προσπαθήσει να προωθήσει την υπόθεση της Rosenberg ότι η μετάλλαξη που προκαλείται από το στρες εξελίχθηκε για κάποιο σκοπό, η ομάδα της διερεύνησε το δίκτυο των γονιδίων που απαιτούνται για να συμβεί το φαινόμενο. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Science το 2012, προσδιορίζουν περισσότερες από 90 πρωτεΐνες που απαιτούνται για τη διαδικασία. Περισσότεροι από τους μισούς εμπλέκονται είτε στην αίσθηση του στρες είτε στην ενεργοποίηση των αντιδράσεων στο στρες, κάτι που είπε ο Rosenberg υποστηρίζει την ιδέα ότι το κύτταρο έχει δομήσει σκόπιμα τον μηχανισμό μετάλλαξης του για να ανταποκρίνεται στο στρες.
Μετά από δύο δεκαετίες δουλειάς στον τομέα, «Βλέπω πλέον την εξέλιξη ως πιο ανταποκρινόμενη, πλαστική και εκπαιδεύσιμη ή «έξυπνη» από ό,τι πριν», είπε ο Rosenberg. "Πιστεύω ότι και άλλοι έχουν επίσης μετατοπίσει την άποψή τους προς αυτή την κατεύθυνση."
