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

Для животного один из самых надежных способов преодолеть все эти стратегии состоит в том, чтобы производить множество различных видов антимикробных пептидов. Новые пептиды могут появиться в результате дупликации генов или в результате заимствования уже готовых пептидов, прежде выполнявших иные функции. Чем больше антимикробных пептидов производит животное, тем труднее бактериям вовремя их распознать. В результате гены антибактериальных пептидов претерпевают больше эволюционных изменений, чем любая другая группа генов в клетках млекопитающих.

В сравнении со сложными и постоянно меняющимися атаками на антимикробные пептиды эксперимент Белла и Заслоффа выглядит детской игрой. Ученые подвергли E. coli действию всего лишь одного антимикробного пептида и обеспечили серьезные преимущества мутантам, которые смогли при этом выжить. К несчастью, современная медицина работает скорее по схеме Белла и Заслоффа, чем по методикам естественной эволюции. Врачу для борьбы с инфекцией предлагается достаточно скромный выбор антибиотиков, да и пациенту, как правило, прописывают лишь один препарат. Всего за несколько лет такая практика приводит к возникновению резистентных бактерий. Возможно, нам удавалось бы более успешно бороться с бактериями, если бы новые лекарства быстрее проходили все этапы разработки и если бы врачи могли без опасений прописывать пациенту по нескольку препаратов сразу.

Способность E. coli к быстрому развитию резистентности должна преподать нам немало уроков. Возможно, самый поразительный урок заключается в том, что человеческое тело, как и тела наших предков, фактически работает как фармацевтическая лаборатория.

Эволюция на заказ

Когда в 1942 г. Сальвадор Лурия открыл закономерности, согласно которым у E. coli развивается сопротивляемость к вирусам, он получил первые убедительные доказательства случайности и ненаправленности мутаций. С тех пор было проведено огромное число экспериментов как на E. coli, так и на многих других видах. Подтвердилось, что частота мутаций достаточно стабильна. Но результаты некоторых экспериментов на E. coli возбудили у ученых неожиданные сомнения. Что если мутации не так слепы, как принято считать?

Химик Флойд Ромесберг из Научно — исследовательского института Скриппса провел эксперимент и посмотрел, как E. coli приобретает резистентность к антибиотикам. В качестве действующего вещества он выбрал ципрофлоксацин (торговое название — ципро). Впервые этот антибиотик появился еще в 1980–е гг. как перспективная замена старым лекарственным средствам, которые начали терять эффективность. Однако уже через несколько лет после начала применения этого антибиотика появились первые сообщения о резистентных к нему микроорганизмах. При этом в разных частях света устойчивые к ципрофлоксацину бактерии встречаются с разной частотой. В Германии, к примеру, в 2002 г. резистентными к ципро были примерно 15 % E. coli. В Китае в том же году в одном из исследований получились значительно более высокие показатели — 59 %.

Чтобы понять, как появляются у E. coli гены устойчивости к ципрофлоксацину, Ромесберг с коллегами вводили шестинедельным мышам болезнетворный штамм E. coli. После этого они вводили им ципрофлоксацин, и инфекция пропадала — по крайней мере на первый взгляд. Но через три дня она возобновлялась. Когда ученые проверили новые бактерии, выяснилось, что за это время E. coli стала в 50 раз более устойчивой к ципро, чем была в начале эксперимента.

Ципро убивает E. coli, обманом вынуждая ее совершить самоубийство. Известно, что он вмешивается в процесс производства фермента топоизомеразы, который умеет разрезать и вновь сшивать молекулы ДНК. Такое умение становится необходимым бактерии всякий раз, когда ее ДНК запутывается. Ципро не позволяет топоизомеразе завершить работу и сшить разрезанную ею ДНК. Свободные концы разрезанной молекулы привлекают другие ферменты, специализирующиеся на разрушении изолированных кусочков ДНК. Эти ферменты разрушают большую часть хромосомы E. coli и убивают бактерию.

Ромесбергу пришло в голову, что действие ципро может этим не ограничиваться; возможно, он, помимо всего прочего, заставляет E. coli мутировать быстрее. Известно, что E. coli исправляет поврежденную ДНК при помощи ферментов ДНК — полимераз. Бактерия синтезирует два вида ДНК — полимераз: один из них производит исправление (репарацию) молекулы с высокой точностью, а другой — с низкой. Как правило, необходимым исправлением молекул ДНК занимается высокоточная ДНК — полимераза; при этом гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности, блокированы белком, получившим название LexA. Но когда E. coli попадает в критическую ситуацию, все меняется. Если выясняется, что бактерия перегружена большим количеством поврежденной ДНК, LexA освобождает гены ДНК- полимеразы низкой точности, и та тоже принимает участие в репарации ДНК E. coli. Однако работу она делает менее аккуратно и точно, оставляя после себя большее количество мутаций.

Ромесберг подумал: что если эти дополнительные мутации помогают E. coli быстрее развивать устойчивость к ципрофлоксацину? Конечно, в большинстве своем мутации могут оказаться вредными для бактерии, но некоторые могут привести к созданию такой топоизомеразы, которая способна делать свою работу и сшивать ДНК даже в присутствии антибиотика. Возможно также, что эти дополнительные мутации возникают только во время подобных кризисов. Как только E. coli вновь обретет способность резать и сшивать ДНК, количество ее бесхозных кусочков резко уменьшится. LexA вновь блокирует гены, кодирующие ДНК — полимеразу низкой точности, и подавляет их активность, а значит, E. coli возвращается к более аккуратной и точной репарации ДНК.

Ромесберг с коллегами проверил свою гипотезу при помощи весьма остроумного эксперимента. Исследователи создали штамм E. coli, в котором белок LexA постоянно блокировал гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности. Столкнувшись с ципрофлоксацином, такие бактерии продолжали как ни в чем не бывало исправлять свою ДНК с высочайшей точностью. Ромесберг и его коллеги ввели полученный штамм мышам, а затем дали им антибиотик. В 2005 г. ученые опубликовали результаты своего эксперимента: E. coli, не способная мутировать чаще, вообще не сумела развить у себя устойчивость к ципрофлок- сацину.

Эксперимент Ромесберга наглядно продемонстрировал, что мутации могут быть не настолько случайными и слепыми, как считалось раньше. Возможно, E. coli, вместо того чтобы пассивно коллекционировать мутации, изобрела способ управлять ими к собственной выгоде.

Первые намеки на существование не слишком случайных мутаций были получены в эксперименте 1988 г., который можно назвать «кругом вода, а с питьем беда». Джон Кейрнс, работавший тогда в Гарварде, вместе с коллегами получил мутантный штамм E. coli, почти совершенно не способный утилизировать лактозу. Его lас — оперон был в полном порядке, a вот последовательность нуклеотидов промотора[20], задача которого — включать оперон, была слегка изменена. Затем Кейрнс и его коллеги перестали давать своим бактериям какую бы то ни было пищу, кроме лактозы. Бактерии перестали размножаться и начали голодать. Однако полностью они все же не вымерли.

Через шесть дней появилось около 100 новых колоний. Кейрнс проверил lас — оперон бактерий и обнаружил у них новую мутацию, которая вновь позволила им включать этот оперон. Но если бы бактерии мутировали спонтанно с обычной частотой, то за это время они, по оценке Кейрнса, успели бы образовать лишь одну колонию. Вывод ученого был прост: подопытные бактерии обзавелись работающими генами в сто раз быстрее, чем можно было ожидать.

«Возможно, у клеток есть способы выбирать, какие именно мутации будут происходить», — констатировали Кейрнс и его соавторы.

«Направленные мутации» — именно под таким названием стало известно это явление — вызвали настоящую бурю. Мысль о том, что E. coli способна в кризисной ситуации заставить мутировать конкретный ограниченный участок ДНК, попахивала ламаркизмом. Критики обвиняли Кейрнса практически в мистицизме: ведь согласно его гипотезе E. coli должна понимать, что мутации конкретного участка ДНК помогут ей справиться с конкретной критической ситуацией. Последовала целая волна новых исследований; ученые пытались понять, что все‑таки происходит.

В конце концов научная общественность пришла к единому мнению: загадочные мутации не являются в строгом смысле слова направленными и не предназначены для достижения какой‑то конкретной цели. У многих бактерий, переживших голод и вновь получивших способность использовать в качестве источника питания лактозу, обнаружились и другие мутации, на этот раз в генах, не имевших никакого отношения к лактозе. Вместо «направленных мутаций» ученые заговорили о «гипермутировании». Добавляя к слову приставку «гипер», они подразумевали, что в критической ситуации частота мутаций у E. coli может подскочить в сто, а то и в тысячу раз. Исследования показали, что ДНК — полимеразы низкой точности и есть те ферменты, которые вызывают дополнительные мутации.