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

Человеческое тело устойчиво во многих отношениях. Человеческий мозг нуждается в постоянной подпитке глюкозой, но мы не теряем сознания, если случайно пропустим обед. Чтобы сохранить нужную концентрацию сахара, тело прибегает к резервным запасам глюкозы. Из небольшого скопления клеток, непрерывно обменивающихся целыми водопадами сигналов, координирующих деление, развивается зародыш. На эти сигналы воздействуют разнообразные помехи, но все же из большинства зародышей получаются совершенно здоровые младенцы.

Раз за разом жизнь умудряется избежать катастрофических неудач и не сбиться с курса.

До недавнего времени у ученых не было достоверных свидетельств о том, почему жизнь обладает такой устойчивостью. Чтобы определить источник устойчивости, необходимо изучить живые системы на глубочайшем уровне подробнейшим образом, сжиться с ними — примерно так же, наверное, как конструктор сживается с создаваемой им системой автопилотирования, используя ее схему для проведения экспериментов. Однако принципиальные схемы живых существ по большей части по — прежнему остаются для нас тайной за семью печатями. E. coli — одно из немногих исключений.

В борьбе за выживание E. coli постоянно сталкивается с серьезнейшими угрозами. Положите в солнечный день чашку Петри на подоконник, и вы поставите обитающих в ней бактерий на грань катастрофы. Жара оказывает на белки E. coli губительное действие. Чтобы работать правильно, каждому белку необходимо все время сохранять характерную только для него скрученную форму, по сложности напоминающую оригами. Перегретый белок разворачивается и становится похожим на спутанный клубок — он денатурируется. Такой белок уже не способен выполнять работу, от которой зависит выживание E. coli.

И все же кишечная палочка не умирает от повышения температуры на несколько градусов. Когда температура поднимается, бактерия начинает синтезировать так называемые белки теплового шока. Они выполняют двойную защитную функцию. Некоторые обхватывают начавшие денатурироваться белки E. coli и возвращают им надлежащую форму. Остальные распознают белки, пострадавшие от жары настолько, что их уже невозможно привести в порядок, и разрезают на части, пригодные для строительства новых белков.

Белки теплового шока вполне способны спасти хозяйке жизнь, но E. coli не в состоянии держать «под рукой» запас таких белков на случай будущих неприятностей. Надо сказать, что эти белки — одни из самых крупных в ее арсенале, а чтобы пережить тепловой удар, могут потребоваться десятки тысяч таких молекул. Производить их про запас — все равно что заставить двор своего дома пожарными машинами на случай, если дом вдруг загорится. С другой стороны, если пожарная машина нужна, то нужна она быстро. E. coli, затратив слишком много времени на производство белков теплового шока, может погибнуть, не дождавшись помощи.

Эта особенность привлекла внимание инженера Калифорнийского технологического института Джона Дойла и его коллег. В прошлом Дойл занимался теорией создания систем управления для самолетов и космических кораблей многоразового использования. Однако оказалось, что в клетке E. coli скрыты конструкторские решения, ничуть не уступающие тем механизмам, в создании которых ему довелось принимать участие. Вместе с коллегами Дойл начал изучать белки теплового шока и то, как бактерия с их помощью выживает.

Исследователи выяснили, что E. coli контролирует запас белков теплового шока с помощью механизма отрицательной обратной связи. С точки зрения инженера, обратная связь возникает тогда, когда выход какой‑то схемы начинает влиять на ее же вход. Так, термостат поддерживает температуру в доме примерно на одном уровне при помощи одной из простейших форм обратной связи. Термостат измеряет температуру в доме и, если она оказывается слишком низкой, включает обогреватель. Если температура слишком высокая, он выключает обогреватель.

E. coli защищается от высокой температуры примерно так же. Ключевой белок ее «термостата» называется сигма-32, который регулирует, какие именно гены будет считывать РНК — полимераза. Даже при невысокой температуре бактерия постоянно считывает ген, отвечающий за синтез сигма-32, и синтезирует его РНК — копии. Но при нормальной температуре молекулы РНК сигма-32 находятся в свернутом состоянии, и E. coli не может использовать их для синтеза белка. Поэтому при нормальной температуре в бактериальной клетке много РНК сигма-32, но совсем нет соответствующего белка.

Однако, когда температура окружающей среды повышается, РНК сигма-32 разворачивается. Теперь рибосомы могут прочитать эти молекулы и синтезировать по ним белок сигма-32, и E. coli за короткое время производит огромное количество этого белка. Молекулы сигма-32 быстро находят молекулы РНК — полимеразы и направляют их к генам, отвечающим за производство белков теплового шока. Таким образом, на синтез десятков тысяч молекул белка теплового шока уходит всего несколько минут.

Столь стремительный ответ может спасти E. coli от перегрева, но в нем же скрыт и большой риск. Внезапный и бесконтрольный синтез белка сигма-32 опасен — даже хорошей вещи может быть слишком много. Ведь описанным способом бактерия наверняка произведет намного больше белков теплового шока, чем нужно. Но мы знаем, что этих молекул в клетке E. coli появляется ровно столько, сколько необходимо для данной температуры: больше, если температура высокая, и меньше, если не очень. Такое тонкое регулирование осуществляется при помощи целой системы петель обратных связей.

Белки теплового шока не просто защищают E. coli от перегрева, но и контролируют количество сигма-32. Одни из них хватают молекулы сигма-32 и прячут «в карман»; другие режут их на части. Когда температура поднимается, в первые несколько мгновений белки теплового шока слишком заняты, чтобы нападать на сигма-32, — ведь необходимо помочь множеству других молекул, подвергшихся губительному воздействию высокой температуры. Но как только им удается взять ситуацию под контроль, свободные белки теплового шока (а их становится все больше) переносят свое внимание на сигма-32. А по мере снижения числа молекул сигма-32 падает и производство новых белков теплового шока.

Этот механизм обратной связи не позволяет E. coli синтезировать слишком много белков теплового шока. Кроме того, она достаточно точно регулирует уровень этих белков. Если температура окружающей среды лишь слегка повысилась, но E. coli еще не умирает от жары, то белки теплового шока быстро снижают уровень сигма-32. Но если температура продолжает повышаться, то их внимание поглощено помощью развернувшимся молекулам и уровень сигма-32 — а значит, и производство белков теплового шока — остается высоким. Когда же окружающая среда остывает до комфортной температуры, «термостат» E. coli практически полностью прекращает производство белков теплового шока.

Устойчивость системы саморегуляции E. coli объясняется наличием в ее управляющих схемах встроенной системы петель обратных связей. Для инженера такая конструкция совершенно естественна. Автопилот в «Боинге-777» использует примерно такие же обратные связи, чтобы удерживать самолет на нужной высоте при любых порывах ветра и нисходящих течениях. Устойчивость и бактерии, и самолета обеспечивает не всезнающее сознание, а сама управляющая схема.

Общая картина

Объедините гены в группы, и они смогут сделать намного больше, чем сделали бы по отдельности. Объедините группы в единую систему — и получите живой организм.

В 1940–е гг. Эдвард Тейтем и другие ученые получили первые сведения о том, для чего предназначены некоторые гены E. coli. К 2007 г. исследователи имели более или менее полное представление о том, чем занимаются примерно 85 % ее генов, что превратило обычную кишечную палочку в золотой стандарт расшифрованности генома. Сегодня по генам E. coli, ее оперонам и метаболическим путям созданы и работают онлайновые базы данных. Загадки, конечно, остаются. Так, у E. coli обнаружен 41 фермент, для которых ученым еще только предстоит найти кодирующие их гены. Тем не менее постепенно вырисовывается примерный портрет E. coli. Пока это максимум того, что удалось сделать биологам в плане полной расшифровки устройства живого организма.

Ученые под руководством Бернарда Палссона, профессора биоинженерии из Калифорнийского университета в Сан — Диего, попытались построить модель метаболизма клетки E. coli. По состоянию на 2007 г. они ввели в компьютер данные о 1260 генах и 2077 реакциях. На базе этой информации компьютер может вычислить, сколько углерода проходит по метаболическим путям E. coli в зависимости от характера поглощаемой ею пищи. Модель Палссона умеет делать то, что делают все хорошие модели, — предсказывать реальность. В частности, она очень неплохо предсказывает, как быстро E. coli будет расти на глюкозе и сколько углекислого газа она при этом выделит. Если Палссон условно отключит бактерии кислород, модель перенаправит углерод на другую, не связанную с кислородом метаболическую траекторию (точно так, как это делает E. coli). Если Палссон исключит из схемы один из белков, модель реорганизует свой метаболизм так же, как это делает реальная мутантная E. coli, у которой отсутствует этот белок. Модель надежно предсказывает поведение E. coli в тысячах самых разных ситуаций; она показывает, что E. coli действительно всегда выбирает наилучший путь и настраивает свой метаболизм так, чтобы размножаться как можно быстрее.