Az emberi evolúció legmeghatározóbb lépése, jelen ismereteink szerint, a megnagyobbodott agyméret és az ezzel járó komplexebb szellemi tevékenység kialakulása volt. Az Australopithecusok kora óta eltelt cirka négy millió év alatt, az emberi koponya agytérfogata közel háromszorosára növekedett, amely átalakulás azonban fogas energetikai kérdés elé állíthatta őseinket: mert szép és jó dolog a több agyszövet, csakhát azt valahogy táplálni is kell.

Az agy a legenergiaigényesebb szervünk: egy pihenő újszülött energiájának 60%-át emészti fel, de ez az arány még egy felnőtt esetében is 25%. S mivel legközelebbi rokonain, a csimpánzok esetében egy-egy jól kifejlett példány csak energiájának 8%-át fordítja szürke- (és fehér)állományának táplálására, a kérdés adott: a mi őseink miképpen engedhették meg maguknak a hasonló energiabevitel melletti többszörös ráfordítás luxusát.

A válasz egyik része egy máik energiaigényes szervrendszerünk, az emésztőrendszer méretének csökkenésében keresendő: az emberi emésztőrendszer mérete csak 60%-a egy hasonló méretű főemlősben előfordulónak. (Így több energia maradt az agy jólakatására.) Ami persze újabb kérdést vet fel: miért volt ez lehetséges? Hiszen, ha lecsökken az emésztőenzimeket termelő szervek mérete és a tápanyagok felszívódását lehetővé tevő bélfelület, akkor az értelemszerűen kevésbé hatékony tápanyagfelvételt eredményez. Ennek ellensúlyozásához pedig arra van szükség, hogy a bevitt táplálék olyan formában legyen, ami már eleve hatékonyabb feldolgozást tegyen lehetővé – például meg legyen főzve.

A hominin evolúció során két nagy ugrás figyelhető meg az agytérfogat alakulásában: úgy 1,9 millió éve, a Homo erectus megjelenésekor (ekkor kvázi megduplázódott 500 cm³-ről, 1000 cm³-re az agykapacitás), és szűk fél millió éve, a modern ember feltünésekor (ekkor alakul ki az 1300 cm³-s agykapacitás). Arról többé kevésébe konszenzus van, hogy valamelyik ugrásban szerepe volt a tűz megszelídítésének és a főzés megjelenésének, arról azonban már kevésbé, hogy pontosan melyikben is. Kutatók egy csoportja a régebbi dátum mellett kardoskodik, egyebek mellett arra hivatkozva, hogy a H. erectus foga kisebb volt, mint az elődeié, márpedig ha csak annyival biztosítja az extra tápanyagot, hogy hatékonyabban vadászik, akkor épp ellenkező előjelű változás lett volna elvárható. A logika jól hangzik, az egyetlen baj azzal van, hogy a legősibb bizonyíthatóan emberek által rakott tűzhelyek csak 300,000 – 500,000 évesek, vagyis inkább a második ugráshoz állnak közel. És ugyan vannak feltételezések 1,4 millió éves tűzrakásokról is, ezek egyelőre nem tekinthetők bizonyítottnak.

Bárhogy is volt, a "konyhaművészet" kialakulása döntő fontosságú volt. A nagyobb energiaráfordítás lehetővé tette a nagyobb agy kialakulását, de utóbbihoz ahhoz is szükség volt, hogy az idegrendszer fejlődése kitolódjon. Ez pedig hosszabb csecsemő- és gyermekkoral járt, magyarán tovább tartott a szülőkre való utaltság; ez több és bonyolultabb szociális kapcsolat kialakulását feltételezte, ami pedig több szellemi ráfordítást igényelt. Mindezek eredményeként egy formás kis pozitív visszacsatolás alakul(hat)ott ki: a nagyobbodó agy egyre több információt kellett feldolgozzon. Már, ha valóban így történt a dolog.

Gibbons, A (2007) NEWSFOCUS: Food for thought. Science 316: 1558-1560.
Gibbons, A (2007) NEWSFOCUS: Swapping guts for brains. Science 316: 1560.

Újabb "tollas dinó" és honnan máshonnan mint Kínából. De egy dologban mindenképpen különleges: méretében. A Gigantoraptor erlianensis ugyanis nagy. Nagyon nagy. A Belső-Mongóliából előkerült 11 éves – kvázi fiatal felnőtt – egyed csontváza fejtetőtől farokig 8 m hosszú, csípőben 3.5 m magas, és mintegy 1,400 kg-t nyom. Nagyobb, mint egy hasonló korú Tyrannosaurus, a viszonyítás miatt. És elképzelhető, hogy az idősebb példányok még nagyobbak voltak.

A Theropodákhoz tartozó Oviraptorosauria csoport (ahova a Gigantoraptor is tartozni látszik) eddig ismert tagjai alkatban és méretben a Tyrannosaurus-ok és mai madarak között helyezkednek el, így méret szempontból a Gigantoraptor kilóg a sorból és azt igazolja, hogy a méretcsökkenés nem törvényszerű volt.

Ugyan a neve (és ergo az azt kiötlő kutatók) szerint a G. erlianensis ragadozó volt, nem sokat tudunk arról, hogy valójában mit is ehetett: kis feje és hosszú nyaka növényevőt sugallnak, de karmai ragadozó karmoknak tűnnek. Az sem tisztázott, hogy ez a 85 millió éve élt lény tollas volt-e vagy sem: bár csoportjának kisebb tagjai rendelkeznek tollakkal, a ma elő emlősök között nem ritka, hogy a méretnövekedés a szőrzet elvesztésével járt (gondoljunk csak az elefántokra). A kínai paleontológus-csoport vezetőjének véleménye szerint mindenesetre tollasok voltak.

(Megelőlegezem, hogy további tudnivalókat majd primavis fog a kommentekben szolgáltatni. ;-))

Xu X, Tan Q, Wang J, Zhao X, Tan L (2007) A gigantic bird-like dinosaur from the Late Cretaceous of China. Nature 447: 844-847.

A biológia 21. századi nagy ígéretei közül, az egyéni genomszekvenciák mellett még mindenképpen említést érdemel a szintetikus biológia. Durva leegyszerűsítésben ez mindazoknak a törekvéseknek a gyűjtőneve, amelyek célja tetszőleges (de többnyire kiemelkedő ipari jelentőségű) anyagok előállítása genetikailag módosított élőlények (az esetek többségében baktériumok) segítségével.

Gondoljunk növényi anyagokból műanyagat előállítható bacikra, vagy fényérzékeny biofilmekre; a lehetőségek ha nem is végtelenek, de mindenképpen igen széles skálán mozognak. Látszólag, néhány fontos enzimet kódoló gén bejuttatásával, szinte kívánság szerinti kémiai láncreakció programozható – persze azért a valóság általában lényegesen bonyolultabb. Bonyolultabb, mert ezek a mikróbák a beléjük táplált útvonalakon kívül még egy sereg más reakciónak is otthont adnak, elsősorban olyanoknak amelyek a saját fennmaradásukhoz és szaporodásukhoz szükségesek, de nemcsak. És minden (a kívánt folyamat melleti) fölösleges folyamat csökkentheti a célreakció hatékonyságát, hiszen az organizmus energiáját és forrásait emésztik el. (Az már csak hab a tortán, hogy a saját maga által fölöslegesnek ítélt génektől az élőlények hajlamosak „megszabadulni“ (azok mutációkat szednek össze és működésképtelenekké válnak), így egy-egy ipari fermentorban könnyen elszaporodhatnak a potyázók, amennyiben nem biztosítjuk be genetikai trükkökkel, hogy ez ne következzen be.)
Ezért aztán mindig nagy érdeklődés övezte azokat a baktériumokat, amelyek minimális számú génnel rendelkeznek: kevesebb saját gén, kevesebb lehetőség az energiák és tápanyagok „rossz“ felhasználására.

A technikai buktatók ellenére a szintetikus biológia igen ígéretes, nem véletlen, hogy Craig Venter is rástartolt a témára: mind a minimális genom, mind az iparban esetlegesen felhasználható, új enzimek kutatása terén igencsak aktív volt az utóbbi években. (A napokban derült ki, hogy már tavaly ősszel szabadalmi kérelmet nyújtott be, egy „szintetikus organizmus“ létrehozásásra.)

Persze egy minimális saját genom is igényel valamennyi energiát, így néhány purista arra törekszik, hogy pusztán csak enzimek összeöntésével érjék el a kívánt célt (persze azért az enzimek előállítása még nem megy in vitro, szóval ez azért nem teljesen „sejtmentes“ megoldás). Egy amerikai kutatócsoport most épp 13 különböző forrásból (növény, állat, élesztő és baktérium) származó enzim segítségével a növényi szövetekben előforduló keményítőből hidrogént állított elő. A reakció vízből és keményítőből indul ki, és az optimális 30°C-on hidrogén mellett szén-dioxidot termel (mivel ez friss növényi anyagból, azaz megújuló forrásból származik, netto nem jelent szennyezést). [C₆H₁₀O₅ (l)+7 H₂O (l)→12 H₂ (g)+6 CO₂ (g), ahol l = folyadék, g = gáz] A hidrogén üzemanyagcellákban energiaképzésre használható fel, így a folyamat ipari és környezetvédelmi szempontból egyaránt jelentős, s még az ára is viszonylag kedvező ($~2/kg H₂) – ez a finomítások során még valszleg javulni is fog.

Igazából az egész dologgal egyetlen gond van: hogy a kiindulási anyag, a keményítő, nem a leggyakoribb növényi glükóz-polimer. Utóbbi titulus a nehezebben lebontható cellulóznak jut, s ha sikerülne elérni, hogy ez legyen a hidrogén előállítás kiinduló vegyülete, az akár egy kisebbfajta új ipari forradalom kezdetét is jelenthetné.

Zhang YP, Evans BR, Mielenz JR, Hopkins RC, Adams MW (2007) High-Yield Hydrogen Production from Starch and Water by a Synthetic Enzymatic Pathway. PLoS ONE 2(5): e456. doi:10.1371/journal.pone.0000456

"Mindenki annyi éves, amennyinek érzi magát", tartja a mondás, és annyiban tényleg igaznak tűnik, hogy azok az idős emberek, akik aktív életet élnek, gyakran fiatalabbnak tűnnek a koruknál.

Mindennek a jelek szerint az a biológiai háttere, hogy az aktív élet még az öregedéssel járó számos ún. neurodegeneratív (azaz az idegrendszer leépülését okozó) betegség pusztító hatását is képes ellensúlyozni. Legalább is egerekben bizonyíthatóan: olyan rágcsálókat vizsgálva, amelyekben mesterségesen előidézik a tanulásban fontos agyi régió, a hippokampusz pusztulását, egészen egyértelmű, hogy a változatos és változó környezetben nevelt egerek memóriája és tanulási képessége alig csökkent kezeletlen társaikhoz viszonyítva. Pedig az idegrendszerük kb. ugyanannyi sejtet vesztett, mint a hasonló kezelésnek kitett, de monoton környezetben tartott egerké, akikben viszont az említett szellemi folyamatok leépülését lehetett észlelni.

Feltehetőleg a környezet, ha már az idegszövet részleges pusztulását nem is képes megállítani, annak hatásait ellensúlyozni tudja új idegsejtkapcsolatok, azaz szinapszisok létrehozásával, amelyek lehetővé teszik az emlékezést még a károsodott agyban is.

A folyamat molekuláris mibenléte még kicsit misztikus, de az valószínűsíthető, hogy szerepe van benne a kormatin kromatin struktúrájának. A sejtekben levő DNS különböző kromoszómákba szerveződését különböző fehérjék, pl. hisztonok segítik, és ezek kémiai módosítása dönti el, hogy a körülöttük levő DNS szál átíródhat-e, vagy sem. Például ha egy acetil csoport van a hisztonokon, akkor lazább a kapcsolatuk a környezetükben kígyózó DNS spirállal, így azon aktivizálódhatnak az ott levő gének. Az acetil csoport leválasztása, amit egy HDAC-nek (Histone DeACetylases) nevezett enzim végez, a DNS-hiszton kapcsolat megerősödéséhez, és a gén átíródás leállásához vezet.

A változatos környezet a neurodegenerációban szenvedő egerekben valamiképpen ebbe a kormatin módosító folyamatba szólhat bele, ugyanis ha HDAC-gátló szereket adtak a kezelt, de monoton környezetben élő egereknek, akkor azok szellemi képességei nem romlottak, miközben a szinapszisok száma növekedett a hippokampuszukban.

A megfigyelés reménykeltő, hiszen ha sikerülne embereken is alkalmazható, mellékhatások nélküli HDAC-gátlókat kifejleszteni, azok soküsok ember öreg napjait könnyíthetnék meg.

Fischer A, Sananbenesi F, Wang X, Dobbin M, Tsai LH (2007) Recovery of learning and memory is associated with chromatin remodelling. Nature 447: 178-182.

A múlt héten már írtam a Kentuckyban frissen megnyílt kreacionista múzeumról és most az arstechnica szerzőinek köszönhetően, újabb képekkel lehetünk gazdagabbak. Kedvencem Éva (?) és a békésen legelő Velociraptor. Olyan valós…

Bár egyéni géntérkép még nem adatik meg mindenkinek, a rendelkezésünkre álló ismeretek arra már elegendőek, hogy viszonylag gyors tesztekkel felmérhessük, egyes egyének hajlamosabbak-e bizonyos megbetegedésekre, vagy sem.

Ez nem ördöngösség, hiszen ha tudjuk, hogy milyen jellegzetes DNS szekvenciák kapcsolhatók egyes betegségekhez, akkor csak azt kell ellenőriznünk, hogy a páciensben jelen van-e az adott szekvencia vagy sem. A szóbanforgó DNS szekvenciák, pedig ún. SNP-k (Single Nucleotide Polymorphism), olyan jellgezetes részei a genomunknak, ahol a DNS egy-egy bázsipárban eltérhet az emberek egyes egyedei között. Fontos megjegyezni, hogy ezek az eltéresek csak amolyan "tereptárgyként" működnek, mert viszonylag egyenletesen vannak elszórva a kromoszómákon. De az, ha egy SNP jellegzetesen előfordul bizonyos betegségekkel diagnosztizált emberekben, még nem feltétlenül jelenti azt, hogy okozója is a betegségeknek: csak annyit bizonyít, hogy az SNP és a betegséget kiváltó genetikai változás nagyon közel esnek egymáshoz (ami persze azt is jelenti, hogy akár egybe is eshetnek), ezért együtt öröklődnek.

Szóval az elmélet viszonylag egyszerű, de eljutni az SNP-betegség korreláció felfedezéséhez, az masszív (és gyakran monoton) munkát jelent. Először ui. fel kell térképezni egy minimális számú SNP-t az emberi genomban, amelyek viszonylag gyakran előfordulnak különböző emberekben és a genomot egész sűrűn képesek lefedni. Erre volt jó a humán genom project, majd a HapMap project. Amikor ezek kéznél voltak, akkor pedig következett, hogy sok ezer emberben, köztük meghatározott betegségekkel rendelkezőkben megvizsgálják az SNP-k mibenlétét és csak ezeknek a több éves, rengeteg munkát és energiát (pénzről nem is szólva) igénylő folyamat végén láthatjuk, hogy bizonyos betegségeket okozó genetikai változások hol rejtőznek.

Az alábbi ábra egy ilyen kutatás eredményét foglalja össze (a zöld pontok a lényegesek, mert ezek jelentenek statisztikailag fontos összefüggést egy-egy SNP jelenléte és a vizsgált betegség kialakulása között).

A héten megjelent ilyen típusú cikkáradat (a fontos és összefüggő dolgokat a Nature és a Science egyeztetve szokta lehozni) néhány megállapítása már korábbról is ismert volt: pl. hogy a TCF72L gén (10. kromoszóma) meghibásodása kettes típusú cukorbetegséget okoz, az egyes típusú cukorbetegség és a reuma pedig egyaránt autoimmun megbetegedések, amelyek a sejtfelszínen megjelenő fehérjéket kódoló gének (6. kromoszóma) hibájából erednek. De nagyon sok új információt is kaptunk: pl. hogy az említett betegségek más gének hibájából is létrejöhetnek, míg olyan betegségeknél mint a koszorúér elmeszesedés vagy a prosztatarák elsőrangú jelöltjeink lettek a tövábbi vizsgálatokhoz.

A szívkoszorúér betegségeknél úgy tűnik, hogy a 9. kromoszóma valamilyen elváltozásához kapcsolhatók: ami megnehezíti a dolgot, hogy a változás a jelek szerint nem fehérjekódoló szekvenciákban van, amelyeket mindig trükkösebb vizsgálni. A prosztatarák leggyakoribb okozója pedig a 8. kromoszómán van, de nem egy, hanem több különböző génről van szó a jelek (és SNPk) szerint, talán ezért sem sikerült eddig a betegség genetikai hátterét megfejteni.

És persze olyan, korábbról már ismert dologról sem szabad megfeledkezni, hogy egyes betegségek kialakulási valószínűsége illetve előfordulása genetikai háttér-függő: a koszorúér-elmeszesedét okozó mutáció, minden negyedik kaukázusi egyénben jelen van (más populációkban ritkább), a prosztatarákhoz kapcsolódó SNP pedig az afro-amerikaiak körében "népszerű". Ezek ellenére, pontosabban ezekkel  az ismeretekkel kombinálva,  valószínűsítheő, hogy az új tudás jól hasznosítható lesz hatékonyabb szűrővizsgálatok kialakítására és (remélhetőleg) a betegségek komoly szövődményeinek megelőzéséhez is.

The Wellcome Trust Case Control Consortium (2007) Genome-wide association study of 14,000 cases of seven common diseases and 3,000 shared controls. Nature 447: 661-678.
Witte, JS (2007) Multiple prostate cancer risk variants on 8q24. Nat Genet 39: 579-580.
McPherson, R, Pertsemlidis, A, Kavaslar, H, Stewart, A ,Roberts, R et al. (2007) A Common Allele on Chromosome 9 Associated with Coronary Heart Disease. Science 316: 1488-1491.
Helgadottir, A, Thorleifsson, G, Manolescu, A, Gretarsdottir, S, Blondal, T, et al. (2007) A Common Variant on Chromosome 9p21 Affects the Risk of Myocardial Infarction. Science 316: 1491-1493.

Bár Craig Venter szereti az ellenkezőjét állítani, egészen eddig nem készült el egyetlen ember egyéni genomszekvenciája sem*. Mivel azonban a genomika egyik gyakran (talán túl sokszor) hangoztatott ígérete a "személyes" genom, nyilvánvaló volt, hogy ez előbb-utóbb változni fog.

Az idő most jött el, s hogy stílszerű legyen a dolog, az első személyes genomszekvenciát a DNS egyik felfedezője, James Watson vehette ma át egy DVD formájában. A művelet 2 hónapot és közel 1 millió dollárt emésztett fel, ami elsőre igen soknak tűnik (főleg, ha minden földlakó számára ilyesmit szeretnénk), de ha belegondolunk, hogy az alig négy éve befejezett (hivatalos) humán genom seregnyi kutató 13 évébe, és az amerikai kormány 3 milliárd dollárjába került, a fejlődés drámai.

És lesz ez még jobb is, hiszen az Ansari X-Prize mintájára meghirdetett Archon X-Prize 10 millió dollárt jelent annak, aki először lesz képes 10 nap alatt 100 genomot leolvasni. A Watson genomját is szekvenáló 454 Life Sciences vállalat elég jól áll a versenyben és az is biztos, hogy némi kedvező reklámért sem kell a szomszédba menniük: ne feledjük ők olvassák a neandervölgyi genomot is, így valszleg még sokszor hallunk róluk a közeljövőben.

* Még ha a Celera anno Venter genomját szekvenálta is, nagyon sokban támaszkodtak a valóban anonim forrásokon alapuló Human Genome Consortium kutatás eredményeire, így valószínűleg az általuk publikált szekvencia sem egyetlen személytől származik). Egyébként a HGC esetében ez szándékosan volt így, nem technikai okokból, hiszen a kutya, oposszum, csirke, csimpánz stb. genomoknál mind konkrétan tudható, kitől/mitől származik a minta.