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

Каким образом обмен веществ E. coli остается таким гибким, если в него входят сотни химических реакций? Почему бактерия, имея перед собой тысячи возможных метаболических путей, всегда выбирает несколько самых лучших? Почему вся эта система попросту не рушится? Оказывается, устойчивости системы способствует сама форма сети, география ее лабиринтов.

Когда ученые изобразили на бумаге метаболический маршрут атома углерода в клетке E. coli, получилась фигура, напоминающая галстук — бабочку. Одно его «крыло» образуют химические реакции поступления в клетку и расщепления пищи. Они следуют одна за другой по простым маршрутам, которые можно изобразить веером стрелок, сходящихся в центре «галстука», на «узле». Здесь траектории становятся гораздо более сложными. Продукт, полученный в результате какой‑то реакции, может быть вовлечен во множество других реакций в зависимости от текущих условий. Именно на «узле» — там, где скрещиваются маршруты — E. coli создает строительные кирпичики для всех своих молекул. Затем эти кирпичики поступают в другое «крыло», образуя веер расходящихся траекторий, на каждой из которых производится свой тип молекул: на одной — молекула мембраны, на другой — кусочек РНК, на третьей — какой‑то белок. Расходящиеся траектории второго «крыла» никогда не пересекаются. Молекула, начавшая движение к тому, чтобы войти в белок, уже не станет частью молекулы ДНК.

Надо сказать, что архитектурное решение в виде «бабочки» с инженерной точки зрения имеет для E. coli глубокий смысл. Рукотворные сети — например, телефонные или электрические — нередко тоже прокладывают по схеме «бабочки». Такая архитектура позволяет сетям работать эффективно и устойчиво. В Интернете, к примеру, входящий веер составляют сигналы всевозможных программ: браузеров, почтовых программ и многих других, причем каждая из них обрабатывает информацию по — своему. Чтобы все эти данные попали в Интернет, их следует преобразовать в коды, соответствующие интернет — протоколам. Потоки данных движутся от персональных компьютеров к серверам, а затем на небольшую группу роутеров, установленных в Лос — Анджелесе, Нью- Йорке и других крупных городах. Роутеры, подобно узлу галстука — бабочки E. coli, прочно связаны между собой. После этого сигналы через веер расходящихся маршрутов направляются к другому персональному компьютеру, где стандартный поток данных будет преобразован в картинку, текстовый документ или другую конкретную форму.

И для работы Интернета, и для E. coli самое главное — центральный узел. Именно он позволяет той и другой сети работать даже при отказе каких‑то частей. Мутация, исключившая из арсенала бактерии одну из метаболических реакций, не убьет E. coli, потому что в «узле» есть и другие траектории, на которые она сможет перевести углерод. Интернет способен продолжать передачу данных даже после того, как откажет один из серверов, так же потому, что сообщения можно направить по другой траектории.

Помимо всего прочего в обеих системах архитектура в виде «бабочки» помогает сберечь энергию. Если бы E. coli функционировала иначе, ей пришлось бы создавать особую цепочку ферментов для производства любой молекулы. Для каждого из этих ферментов потребовался бы собственный ген. Вместо этого у E. coli все входящие траектории сбрасывают свои продукты в одну и ту же сеть в центральном узле. Точно так же Интернету нет необходимости связывать компьютеры напрямую или использовать специальные коды для каждого типа файлов. В обоих случаях такая организация работы возможна только потому, что сеть подчиняется определенным правилам. В Интернете каждое сообщение обязательно переводится на общий язык. И в E. coli энергия всегда передается одним и тем же способом — с помощью АТФ.

Изобретатели Интернета не думали, что создают подобную сеть. Они всего лишь пытались сбалансировать затраты и скорости при объединении серверов. Но, сами того не подозревая, они создали модель E. coli, которая к настоящему моменту охватила всю Землю.

Да здравствуют различия

У каждого из нас свои вкусы. Я, к примеру, не понимаю, почему некоторые любят улиток. Я не могу точно сказать, почему они мне не нравятся, но вполне могу выдвинуть несколько предположений. Может быть, у меня на языке есть особые клетки, в которых от вкуса улитки возникает спазм ужаса. А может, какая‑то нейронная сеть в моем мозгу связывает вкус улиток с каким‑то давним, но очень неприятным воспоминанием. Или, может быть, у меня просто не было возможности полюбить улиток, потому что я вырос на пицце, гамбургерах и арахисовом масле. Ясно одно: этот гастрономический путь для меня закрыт.

Я не знаю наверняка, справедливо ли хоть одно из этих предположений. Я не могу совершить путешествие во времени, переиграть свою жизнь с момента зачатия и посмотреть, как бы обернулось дело, если бы на завтрак в детском саду нас кормили съедобными улитками. Я не могу клонировать себя в сотне экземпляров и расселить своих искусственных близнецов по приемным семьям во Франции. Я просто ненавижу улиток.

Моя нелюбовь к улиткам — всего лишь небольшая иллюстрация к серьезному утверждению: жизнь полна различий. Мы, люди, отличаемся друг от друга бесчисленными особенностями. Мы скромны или самоуверенны, бледны или веснушчаты; мы можем быть водителями или парикмахерами, буддистами или пресвитерианами. Кто‑то из нас живет до ста лет, а у кого‑то третья стадия рака. Наши отпечатки пальцев строго индивидуальны.

Ученые лишь приблизительно представляют, как возникают эти различия. Человек — не просто результат выполнения программы, записанной с помощью ДНК. Пока зародыш развивается в матке, на его гены влияют поступающие из организма матери сигналы. Окружающая среда и после рождения продолжает непредсказуемым образом воздействовать на гены человека. То, какие именно гены активируются и будут работать, зависит от множества вещей: от пищи, которую мы едим, от воздуха, которым дышим, от травм, от радостей и скуки, пережитых в детстве. Мало того, что различия между нами трудно объяснить; они — законный повод для гордости. Человек может стать великим бейсболистом, как Бейб Рут, или композитором, как Фредерик Шопен, актрисой, как Мэй Уэст, или ученым, как Мария Кюри. Все они — продукт сложности вида, каждый представитель которого несет в себе 18000 генов, способных управлять производством 100000 белков, дающих начало удивительным живым существам. Мы уникальны по своей способности воспринимать окружающий мир и формировать свою жизнь с помощью слов, ритуалов и образов. Безусловно, наше представление о E. coli окрашено нашей гордостью.

Конечно, кишечная палочка не умеет читать и не учится в школе, у нее есть только то, что дала мать — природа. Колония, развившаяся из одного — единственного организма, представляет собой всего лишь миллиард генетически идентичных родичей, и поведение каждого из них определяется одними и теми же генетическими схемами. E. coli состоит из одной — единственной клетки; у нее нет тела, построенного из триллиона клеток, развитие которого продолжается не один год. У E. coli не бывает детства, которое она проводила бы на занятиях в частной школе или за поиском объедков на городской свалке. Ей не приходится думать о том, любит ли она улиток на обед. E. coli — всего лишь мешочек с молекулами, изготовленный по стандартному рецепту. Если две бактерии генетически идентичны, то и жизнь они проживут совершенно одинаковую.

Может быть, все это звучит правдоподобно, но на самом деле сказанное далеко от истины. В реальности колония генетически идентичных E. coli — это множество отдельных индивидуальностей. В одинаковых условиях они будут вести себя по — разному. Можно сказать, что у этих бактерий есть собственные отпечатки пальцев.

К примеру, если понаблюдать за двумя плывущими бок о бок генетически идентичными кишечными палочками, то можно уловить момент, когда одна из них сдастся, тогда как вторая будет и дальше крутить своими жгутиками. Чтобы оценить их выносливость, ученый из Калифорнийского университета в Беркли Дэниел Кошланд поместил несколько генетически идентичных E. coli в каплю воды под покровное стекло, где они плавали, вращая своими жгутиками. В качестве стимула Кошланд предложил им капельку аспартата — аминокислоты, ради которой эти бактерии готовы плыть за тридевять земель. Здесь они были заперты под стеклом и могли только кружить на месте. Кошланд обнаружил, что некоторые клоны, пытаясь добраться до аспартата, кружили по капле вдвое дольше других.

E. coli умеет демонстрировать свою индивидуальность и другими способами. Так, в колонии генетически идентичных клонов одни бактерии образуют на поверхности клетки нитевидные выросты — фимбрии, а другие нет. В стремительно растущей колонии всегда найдется несколько бактерий, которые вдруг прекратят размножение и войдут в состояние анабиоза. Часть бактерий в колонии E. coli может расщеплять лактозу, а другие — нет.