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

Надо сказать, что существовать в составе многоклеточного организма очень непросто. Чтобы правильно сформировать взрослый организм, большинство клеток должны сначала многократно делиться, а затем прекратить деление. Некоторые типы клеток не теряют способность к регенерации, но размножаться они должны только в той мере, в какой это необходимо для заживления раны или обновления слизистой оболочки кишечника. К несчастью, любая делящаяся клетка может мутировать, точно так же как делящаяся E. coli, и в некоторых случаях мутация превращает ее в бунтовщика. Такая клетка начинает неумеренно размножаться, игнорируя сигналы, которые приказывают ей остановиться. Она производит массу клеток — мятежников, и в этой массе возникают новые мутации — а значит, и еще более непокорные клетки. Эти клетки изобретают новые способы обойти защитные системы организма, обманом заставляют его подвести к себе новые кровеносные сосуды и безотказно снабжать кислородом и питательными веществами. Эти клетки становятся обманщиками — в точности как клетки — обманщики, умудряющиеся обернуть сотрудничество E. coli на пользу лично себе. Преуспевание таких клеток мы называем раком.

Делайте ваши ставки

Когда голодающая колония E. coli получает порцию лактозы, каждый микроорганизм может принять лишь одно верное решение: начать производство бета — галактозидазы и расщепление с ее помощью лактозы. Одни бактерии делают правильный выбор, другие — нет. У неудачников гены, отвечающие за утилизацию лактозы, остаются заблокированными — и, соответственно, их может ожидать голодная смерть.

Все микроорганизмы в колонии генетически идентичны, и это означает, что одни и те же генетические структуры допускают оба решения. Но возникает вопрос: если естественный отбор всегда поддерживает гены, способные подхлестнуть размножение E. coli, то почему он допускает подобную неразбериху? Это сложный вопрос, и ученые только начинают всерьез его рассматривать и искать подходы к решению. Ответ, на котором они пока сошлись, таков: E. coli — расчетливый игрок.

Каждый игрок, приходя на ипподром, надеется сделать удачную ставку. Разумеется, чтобы выиграть, лучше всего было бы заглянуть в будущее и точно узнать, какая лошадь придет первой. Однако в реальном мире игроки могут лишь отсеять явных аутсайдеров и ограничить свой выбор несколькими сильными лошадьми. Но даже в этом случае риск потерять деньги достаточно велик. Некоторые игроки стараются уберечься от серьезных потерь при помощи «страхования» ставок, или хеджирования. Они ставят на несколько лошадей одновременно. Если победит хотя бы одна из этих лошадей, игрок останется в выигрыше. Конечно, денег он получит меньше, чем если бы поставил только на победителя, но остальные ставки в данном случае выступают в качестве неплохой страховки. Если победит любая из сильных лошадей, на которую он ставил, игрок все же получит денег больше, чем потратит на ставки.

О хеджировании, или страховочных ставках, думают не только игроки. Математики и экономисты уже исследовали все мыслимые варианты подобных стратегий, многие из которых позаимствовали у них биржевые брокеры, банкиры и те, кому приходится принимать решения о поведении финансовых рынков при недостатке исходных данных. Брокер, покупая акции биотехнологи — ческой компании, может одновременно продать акции аналогичной компании, тогда прибыль он получит вне зависимости от того, как будет вести себя рынок. Теперь у биржевиков в свою очередь позаимствовали математический аппарат биологи — эволюционисты, которые пытаются с его помощью понять, почему клоны одной и той же E. coli действуют так по — разному.

Оказывается, игра E. coli заключается в выборе реакции на внешние обстоятельства в каждой конкретной ситуации. В некоторых случаях выбор очевиден, и все члены популяции ведут себя одинаково. Но в других ситуациях популяции выгоднее хеджировать свои ставки — иными словами, выгоднее, когда некоторые особи реагируют одним способом, а некоторые — другим.

На что поставит E. coli, зависит прежде всего от того, сколько и какую информацию ей удастся получить. В некоторых случаях надежной информации достаточно, и на ее основании можно выбрать верный курс. В подобных случаях имеет смысл идти ва — банк и ставить все деньги на фаворита. Но бывают ситуации, когда трудно определить в точности, как лучше всего действовать и какой путь в данном случае оптимален. Условия могут меняться быстро и непредсказуемо. В таких случаях E. coli, возможно, лучше подстраховаться и позволить отдельным особям реагировать на внешние условия по — разному.

Лактоза ставит E. coli как раз в такую ситуацию. Да, конечно, порция лактозы позволит бактериям выжить, когда других разновидностей сахара вокруг нет. Но чтобы использовать в качестве источника питания лактозу, E. coli должна избавиться от всех белков, которые прежде использовала для расщепления других сахаров, и начать производство белков, нужных для утилизации лактозы. На эту процедуру бактерии придется затратить массу энергии и времени. Возможно, усилия оправдаются, но могут оказаться и напрасными, если лактоза исчезнет так же быстро и внезапно, как появилась, или обнаружится другой, более энергонасыщенный сахар.

Для страхования рисков, то есть для разделения на любителей лактозы и тех, кто лактозу не расщепляет, E. coli использует неравномерность производства различных белков. Если колония получит порцию лактозы, любители этого продукта не замедлят воспользоваться моментом. Остальные, если и перейдут на питание лактозой, то сделают это гораздо медленнее. Если же лактоза так и не появится, то не способные утилизировать ее бактерии будут быстро расти, потому что не потратили энергию на ненужные приготовления. Так или иначе, но колония в целом обязательно выиграет.

Выясняется, что E. coli страхует многие ставки. Иногда мы из‑за этого болеем. Некоторые штаммы E. coli инфицируют мочевой пузырь, где им необходимы нитевидные выросты — фимбрии для прикрепления к клеткам — хозяевам. Но фимбрии привлекают внимание иммунной системы. Чтобы уравновесить эти два требования, бактерии входят в режим случайного включения и выключения механизма формирования фимбрий. В результате в любой момент часть особей в колонии оказывается покрытой фимбриями, а часть остается гладкой.

Возможно, страхование рисков у E. coli играет важную роль и в механизме защиты от антибиотиков. Действие многих антибиотиков объясняется тем, что они разрушают белки, которые микроорганизмы используют для роста. Столкнувшись с популяцией чувствительных к нему бактерий, антибиотик очень быстро уничтожает их. По крайней мере большинство из них. Примерно 1 % особей E. coli в биопленке, как правило, выдерживает атаку антибиотиков на протяжении нескольких часов или дней. Оставшиеся в живых бактерии могут отстроить биопленку заново — и болезнь возобновится с прежней силой.

Устойчивое к действию антибиотиков меньшинство бактерий не несет никаких специальных генов, которые объясняли бы такую устойчивость. Генетически они совершенно идентичны своим погибшим от антибиотиков сородичам. Если выделить выжившие микроорганизмы и позволить им вновь размножиться и образовать большие колонии, а затем вновь подвергнуть их действию антибиотиков, картина будет та же самая: 99 % бактерий погибнет, а 1 % вновь уцелеет.

Так называемые резистентные бактерии были обнаружены в 1944 г., и шесть десятилетий после этого они оставались для ученых почти полной загадкой. Некоторые исследователи предполагали, что из‑за действия антибиотика отдельные микроорганизмы погружаются в загадочное состояние анабиоза, в котором они могут спокойно переждать опасность. В 2004 г. команда ученых под руководством Натальи Балабан из Еврейского университета в Иерусалиме проверила эту гипотезу, построив специальное устройство для наблюдения за резистентными клетками. Исследователи поместили E. coli в микроскопические канавки такой ширины, что бактерии могли уместиться там только в ряд по одному. При делении одной E. coli в такой канавке ее потомство выстраивалось в аккуратную линию. Балабан могла наблюдать, как удлиняются эти линии, и измерять скорость увеличения длины.

После смены нескольких поколений бактерий ученые заливали их сильнодействующим антибиотиком. Большинство E. coli при этом погибало, но резистентные клетки оставались в живых. Балабан и ее коллеги обнаружили, что такие клетки размножаются куда медленнее нормальных, хотя полностью размножение не прекращается. Вернувшись к более ранним измерениям, ученые выяснили, что эти бактерии стали резистентными и снизили скорость размножения до того, как были подвергнуты действию антибиотиков.