Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

Идентификация отдельных элементов клетки началась в XIX веке благодаря усовершенствованию микроскопов, а также пытливому и терпеливому характеру биологов – как правило, достаточно зажиточных мужчин. В 1831 году шотландский ботаник Роберт Броун при внимательном исследовании под микроскопом выделил темное пятно в центре клетки орхидеи, а впоследствии и в пыльце. В статье, представленной им Линнеевскому обществу в Лондоне, ученый назвал эту структуру ядром (нуклеус); это была первая из идентифицированных внутриклеточных структур. В 1869 году Фридрих Мишер, швейцарский доктор, работавший в Германии, обнаружил, что найденные Броуном внутриклеточные структуры содержат любопытные молекулы, которые не являются белками, и назвал это новое вещество нуклеином. Почти столетием позже обнаружится, что эти молекулы несут информацию, необходимую для строительства новых клеток.

В последней четверти XIX и начале XX века изготовители инструментов принялись разрабатывать все более совершенные объективы и другие компоненты оптических микроскопов, позволившие ученым в буквальном смысле заглянуть внутрь крупных клеток. Еще большей наглядности удалось добиться при помощи разнообразных красителей и пигментов, избирательно окрашивавших те или иные компоненты клетки. Благодаря подобным усовершенствованиям ученые смогли прийти к довольно глубокому пониманию положения некоторых компонентов в эукариотических клетках, то есть клетках, содержащих ядро. Растения и животные по существу представляют собой организованные скопления эукариотических клеток.

Благодаря более совершенным объективам, красителям и микроскопам с еще большим увеличением в течение относительно короткого отрезка времени было сделано несколько открытий. В 1883 году еще один ботаник, немец Андреас Шимпер, обнаружил, что крахмал, окрашивающийся в присутствии йода в темно-бурый цвет, производится в растениях микроскопическими зелеными тельцами, которые он назвал хлоропластами. В 1890 году другой немец, Рихард Альтман, выяснил, что, судя по всему, в любых животных клетках присутствуют скопления маленьких частиц, которым он дал название биобласты – позднее они станут известны как митохондрии. Альтман обнаружил также, что «нуклеин» Мишера имеет кислотную природу, и переименовал это вещество в нуклеиновую кислоту. В 1897 году итальянский врач Камилло Гольджи описал еще одну структуру, получившую впоследствии название «аппарат Гольджи». Вначале ученые сочли, что эта структура является артефактом – побочным эффектом красителей, которые использовал Гольджи, и лишь в середине XX века было подтверждено, что она реально существует. Позднее было описано еще несколько крупных структур; это сделали очень терпеливые наблюдатели, работавшие с лучшими оптическими микроскопами того времени. Однако, как бы ни были хороши объективы, существуют физические ограничения того, что можно увидеть при помощи микроскопа, использующего видимый свет.

Структуры, размеры которых составляют меньше тысячной доли миллиметра (иначе говоря, микрометра), попросту очень трудно разглядеть в деталях при помощи видимого света. Диаметр человеческого волоса составляет около 100 микрометров, диаметр же большинства бактерий и других микроорганизмов – около 1–2 микрометров, а порой даже меньше. Чтобы разглядеть их невооруженным глазом, нужно выстроить в ряд около 100 таких клеток, и тогда их длина будет равна диаметру человеческого волоса. И поскольку эти микроорганизмы так малы, для нас практически невозможно различить находящиеся внутри них структуры. Есть ли там миниатюрные ядра? Митохондрии? Хлоропласты? Эта попытка визуализации внутриклеточных структур может напомнить выдвинутую ранее Левенгуком концепцию анималькулей, которых он представлял как микроскопических животных. На протяжении нескольких десятилетий научный прогресс в области изучения очень маленьких клеток или маленьких частей внутри крупных клеток оказался застопорен из-за ограничений в разрешении и увеличительной способности оптических микроскопов.

Прорыв в этом направлении произошел в 1930-х годах, когда два немецких физика, Макс Кнолль и его студент Эрнст Руска, разработали микроскоп нового типа, в котором использовались высокоэнергичные электроны – они ускорялись в вакууме и как лучи проецировались на образец, который либо поглощал их, либо пропускал, либо рассеивал. Получившееся изображение могло передавать структуры с разрешением в десятые доли микрометра, то есть с более чем в сто раз большим увеличением, чем то, какое было достижимо в оптических микроскопах. Открылся целый новый мир – мир, в котором мы впервые действительно получили возможность заглянуть клеткам «под капот».

Изучение клеток под электронным микроскопом тотчас же подтвердило существование ядер, аппаратов Гольджи, митохондрий и хлоропластов у эукариотических клеток. Однако, к удивлению ученых, оно также раскрыло, что у многих микроорганизмов эти структуры отсутствуют. Судя по всему, число матрешек среди микробов было ограничено. Организмы, внутри которых не были найдены такие автономные, заключенные в мембраны структуры, были объединены учеными в группу, получившую название прокариоты. Тем не менее детальное изучение внутреннего строения клеток открыло некоторые структуры, общие для всех клеток вне зависимости от того, имеется у них ядро или нет. Определенные элементы требовались всем.

Одними из таких универсальных элементов оказались рибосомы. Впервые они были обнаружены в 1955 году румынским биологом Джорджем Паладе, который работал в Рокфеллеровском институте (теперь университете) в Нью-Йорке. При помощи лучших из доступных в то время электронных микроскопов Паладе описал эти структуры в образцах клеток млекопитающих и птиц (и те и другие являются эукариотами). Рибосомы были похожи на очень маленькие ворсистые шарики, которые либо свободно плавали во внутриклеточной жидкости, либо группировались вдоль определенных внутренних мембран. Паладе обнаружил, что эти маленькие шарики содержат как белки, так и нуклеиновые кислоты, но роль этих крошечных компонентов клетки оставалась невыясненной еще более десяти лет. Было очевидно, однако, что та нуклеиновая кислота, которая находится в ядре, представляет собой ДНК, в то время как в рибосомах содержится рибонуклеиновая кислота – другой тип нуклеиновой кислоты с другим сахаром, рибозой, имеющей на один атом кислорода больше, чем дезоксирибоза, найденная в ДНК. Впоследствии эти маленькие шарики стали называть рибосомами, сложив вместе название «рибоза» и греческое слово «сома» (тело).

Рис. 9. Электронная микрофотография тонкого среза клетки зеленой водоросли. Этот организм является эукариотом (см. рис. 8) и, подобно всем эукариотам, содержит несколько внутриклеточных органоидов, ограниченных мембранами. В данной клетке такими органоидами являются хлоропласт (C), митохондрии (M), ядро (N) и аппарат Гольджи (G). (Оригинальная микрофотография, сделанная Майроном Ледбеттером и Полом Фальковски.)

Рис. 10. Схема строения рибозы и дезоксирибозы. Первая содержится в рибонуклеиновой кислоте (РНК), вторая – в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК)

Рибосомы – это микроскопические механизмы, которые забирают информацию у последовательности ДНК посредством молекулы-посредника. Такая молекула является зеркальной, или комплементарной, к гену, который представляет собой матрицу белковой последовательности. Комплементарная цепочка РНК называется информационной, или матричной РНК. Информация, содержащаяся в информационной РНК, сообщает рибосоме, какие аминокислоты и в каком именно порядке следует химически прикрепить друг к другу. Получающиеся в результате цепочки аминокислот и становятся теми самыми белками, которые необходимы клеткам, чтобы функционировать, восстанавливать себя и создавать новые клетки.

Поскольку все основные составляющие клеток либо являются белками, либо зависят от белков в своем формировании, можно сказать, что рибосомы – абсолютно необходимые компоненты в каждой клетке. Однако это чрезвычайно сложные механизмы. Их диаметр составляет всего лишь около 20–25 нанометров (нанометр – это 1/1000 доля микрометра, который в свою очередь составляет 1/1000 долю миллиметра), ввиду чего их очень трудно увидеть даже с помощью электронного микроскопа. Перед учеными встала дилемма: как можно исследовать одну из самых основных функций клетки – производство белков, не имея возможности видеть стоящие за этим механизмы? Однако именно здесь подоспели на помощь биохимики и физики.