Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Но даже там формирование кольца большую часть времени блокируется хромосомой и сопутствующими ей белками. Только после того, как завершится репликация хромосомы и две ее копии разойдутся из середины клетки к краям, там образуется достаточно свободного места, чтобы молекулы FtsZ могли закрепиться и начать деление микроорганизма надвое.

Может быть, клетка E. coli и не обладает такой очевидной структурой, как клетки эукариот, но своя структура у нее имеется. Это география ритмов, карта течений.

Прыжок с обрыва

E. coli привлекла к себе внимание Теодора Эшериха благодаря быстрому размножению — один — единственный микроорганизм может всего за несколько часов дать обильный, роскошный прирост. Если бы бактерии, открытые Эшерихом, продолжали размножаться такими стремительными темпами, они очень быстро заполнили бы все его колбы сплошной микробной массой. Да что там — за несколько дней они захватили бы всю Землю! Но E. coli поступает иначе. Она замедляет свой рост, а затем, всего через сутки, вообще прекращает размножаться.

Теоретически любой вид живых существ мог бы заполонить собой Землю. Но на практике нам не приходится пробираться через бескрайние леса дождевиков или океаны блох. Экспоненциальный рост численности вида быстро наталкивается на суровую реальность нашего конечного мира. По мере увеличения плотности популяции E. coli бактерии начинают расходовать кислород быстрее, чем он может поступать извне. Токсичные отходы скапливаются в окружающей колонию среде.

Такое столкновение с реальностью может оказаться фатальным. Когда у E. coli заканчиваются необходимые питательные вещества, ее метаболизм начинает сбоить. Рибосомы производят деформированные белки, способные напасть на другие молекулы бактерии. Катастрофические изменения могут охватить весь микроорганизм. Продолжать рост в условиях такого стресса было бы самоубийством — это как, не снижая скорости, гнать машину к обрыву.

Вместо этого E. coli, как разумный водитель, нажимает на тормоза. В течение нескольких секунд она прекращает считывать гены и уничтожает все белки, строительство которых уже началось. Микроорганизм входит в состояние зомби — так называемую стационарную фазу роста. Он начинает производить белки, необходимые для защиты от излишнего тепла, кислот и других поражающих факторов, и одновременно прекращает синтез ферментов, необходимых для питания. Чтобы не пропустить внутрь опасные молекулы, E. coli закрывает в своей мембране большую часть пор, а чтобы защитить ДНК, складывает ее в очень компактную структуру. Все эти приготовления требуют немало энергии, которую бактерия уже не может получить из пищи, поэтому E. coli приходится поедать саму себя, расщепляя богатые энергией молекулы. Она разбирает на части даже некоторое количество рибосом, теряя при этом способность производить новые белки.

Надо сказать, что E. coli при голодании ожидают примерно те же проблемы, с какими по мере старения организма сталкиваются наши собственные клетки. В стареющих человеческих клетках гены и рибосомы получают повреждения, похожие на те, которые встречаются у E. coli, когда у нее заканчиваются питательные вещества. У людей, страдающих болезнью Альцгеймера, в мозгу образуется множество белков, деформированных примерно так же, как у голодающей E. coli. Вообще, жизнь умеет не только расти и размножаться. Помимо этого она увядает и гибнет.

И человек, и бактерия сталкиваются с разрушительным действием времени, но только бактерия умеет выходить из этой схватки победительницей. Если взять единичную E. coli в стационарной фазе и поместить в бутыль со свежим бульоном, она распакует ДНК, синтезирует новые белки и с царственным достоинством возобновит прежнюю жизнь. Можно оставить колонию E. coli в стационарной фазе на пять лет и после этого обнаружить в ней жизнеспособные микроорганизмы. Это мы, люди, никогда не получаем второго шанса.

Глава 3. Система включение гена

Однажды в июле 1958 г. Франсуа Жакоб сидел в парижском кинотеатре и изнывал от беспокойства. Его жена Лиз по опыту знала, что у мужа вот — вот родится какая‑то неожиданная идея. Они вышли из зрительного зала и направились домой.

— Кажется, я только что придумал кое‑что важное, — сказал Франсуа жене.

— Расскажи! — попросила она.

В тот момент Жакобу, как он позже писал, казалось, что ему удалось добраться «до самой сути вещей». Он вдруг понял, как гены взаимодействуют между собой и как они делают жизнь возможной.

Надо сказать, что Жакоб давно мечтал о подобном озарении. Хирург по образованию, он бежал из Парижа после прихода нацистов и следующие четыре года служил в медицинской роте союзников, участвовал в боях в Северной Африке. Ранение и контузия положили конец его планам стать хирургом, и после войны, вновь оказавшись в Париже, молодой человек просто не знал, как ему распорядиться своей жизнью. Он поступил на работу в лабораторию по разработке антибиотиков и неожиданно почувствовал интерес к научным исследованиям. Но Жакоб хотел не просто найти новое лекарство, он решил посвятить себя изучению «сути жизни». В 1950 г. Жакоб пришел на работу в Институт Пастера и присоединился к команде биологов, упорно работавших в мансарде института с E. coli и другими бактериями.

Жакоб пришел в науку, не имея собственного плана исследований, но в конце концов он занялся двумя кусочками глобальной биологической головоломки: вопросом о том, почему гены иногда активны, а иногда нет. Несколько лет Жакоб изучал умеренных бактериофагов — вирусы, которые умеют «растворяться» в клетке хозяина — бактерии, а потом, спустя несколько поколений, появляться вновь. Вместе с Эли Вольман Жакоб продемонстрировал, что такие бактериофаги на самом деле встраивают свои гены в ДНК E. coli. Ученые позволяли инфицированным бактериофагами бактериям вступить в конъюгацию с неинфицированными, а затем их разделяли. Если конъюгация прекращалась слишком быстро, передачи профага[11] не происходило. Эксперименты показали, что профаг стабильно встраивается в одно и то же место хромосомы E. coli. Гены вируса уютно устраивались между генами клетки — хозяина и «молчали» в течение нескольких поколений.

E. coli предоставила Жакобу еще одну возможность изучить гены, которые иногда работают, а иногда нет. Чтобы утилизировать определенный вид сахара, E. coli необходимо производить определенные ферменты. Так, чтобы расщеплять лактозу, бактерии необходим фермент бета — галактозидаза, способный разрезать молекулу лактозы на кусочки. Коллега Жакоба по Институту Пастера Жак Моно обнаружил, что, если давать E. coli глюкозу (а это гораздо более эффективный источник энергии для бактерии, чем лактоза), она производит бета — галактозидазу в очень малых количествах. Если добавить в питательную среду лактозу, производство фермента увеличится незначительно. Только после того, как глюкоза закончится, синтез бета — галактозидазы начнется всерьез.

Никто в то время не мог вразумительно объяснить, как гены E. coli или ее профагов могут то включаться, то выключаться. Прежде многие ученые считали, что синтез белков в клетке идет постоянно и непрерывно. Чтобы объяснить реакцию E. coli на лактозу, они выдвинули предположение, что на самом деле бактерия вырабатывает бета — галактозидазу постоянно, но только при реальном контакте с лактозой фермент меняет форму и приходит в то состояние, которое позволяет ему ее расщеплять.

Стремясь выяснить, что происходит на самом деле, Моно, Жакоб и их коллеги из Института Пастера начали серию экспериментов. Они выделили мутантные формы E. coli, которые по каким‑то причинам не могли утилизировать лактозу. К примеру, один из мутантов не расщеплял лактозу, хотя у него присутствовал нормальный ген, отвечающий за производство бета — галактозидазы. Ученые поняли, что E. coli использует для утилизации лактозы несколько генов. Один из них кодирует образование белка пермеазы, который встраивается в мембрану микроба, соединяется с молекулой лактозы и переносит ее внутрь клетки.

Но самыми странными среди обнаруженных мутантных форм оказались бактерии, которые производили бета — галактозидазу и пермеазу непрерывно, вне зависимости от того, имелась ли в окружающей питательной среде лактоза. Стало ясно, что у E. coli есть еще какая‑то молекула, которая в обычных условиях не допускает активации генов, отвечающих за производство бета — галактозидазы и пермеазы. Этот белок ученые назвали репрессором. Но Жакоб и его коллеги ничего не могли сказать о том, каким образом репрессор подавляет работу генов.