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

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.

Некоторые ученые утверждают, что гипермутирование — элегантная стратегия борьбы с вымиранием. В нормальных условиях естественный отбор благоприятствует низкой частоте мутаций, поскольку в большинстве своем мутации вредны. Но в критических, стрессовых ситуациях дополнительные мутации резко повышают шансы на то, что вид сумеет — и успеет — случайным перебором вариантов найти выход из кризисной ситуации. Чтобы избежать голода, E. coli не обязательно знать, что для этого хватит одной крохотной мутации в переключателе, который управляет работой генов, участвующих в метаболизме лактозы. Ей просто придется испытать разные варианты изменений ДНК и в конце концов добраться до нужного варианта.

В гипермутировании заключается очевидный риск: вместе с необходимой благоприятной мутацией оно может породить множество мутаций вредных. Сьюзен Розенберг из Бейлоровского медицинского колледжа в Техасе и ее коллеги считают, что E. coli минимизирует этот риск, распределяя его на всю колонию. Когда у E. coli в критической ситуации происходят дополнительные мутации, у каждой отдельной бактерии изменяется литтть один крохотный участок ДНК. Естественно, у разных микроорганизмов эта область мутаций приходится на разные участки молекулы; в противном случае каждая особь получила бы множество неблагоприятных мутаций, рассредоточенных по всему геному. В то же время в многочисленной колонии могут быть одновременно опробованы новые версии едва ли не всех генов. Если хотя бы несколько бактерий наткнется на удачный вариант, эти особи тут же начнут стремительно размножаться.

Возможно, гипермутирование для E. coli — хороший способ справиться со стрессом, но возник этот механизм по совершенно иным причинам. Оливье Тенайон из Национального института здоровья и медицинских исследований Франции указывает, что для синтеза высокоточных ДНК — полимераз требуется немало энергии и материалов.

Может быть, в моменты стресса E. coli просто не может позволить себе роскоши тщательной и точной репарации ДНК. Вместо этого она обращается к ДНК — полимеразам низкой точности. Работают они, конечно, весьма небрежно, но зато E. coli укладывается в энергетическую смету. На самом деле естественный отбор, предполагает Тенайон, благоприятствует вовсе не высокой частоте мутаций, а просто возможности энергетически менее затратного исправления ДНК.

Но даже если кардинальное изменение частоты мутаций у бактерий возникло как побочный эффект, в определенных обстоятельствах оно все же может быть полезным. Тенайон с коллегами продемонстрировал, что у E. coli частота мутаций различается чрезвычайно сильно. В стрессовой ситуации одна бактерия может мутировать в тысячу раз быстрее другой. Должно быть, такой огромной разницей микроорганизмы обязаны генам, отвечающим за гипермутирование, которые могут передаваться от поколения к поколению.

Вполне возможно, что в разных ситуациях естественный отбор подхватывает варианты с разной частотой мутаций. Тенайон и его коллеги отслеживали среднюю частоту мутаций у E. coli при колонизации ею мыши. В самом начале колонизации, когда бактерии испытывали сильный стресс, наибольшее распространение в популяции имели особи с высокой частотой мутаций. Когда же бактериям удавалось основать в кишечнике мыши стабильные колонии, первенство переходило к редко мутирующим особям. Антибиотики, вероятно, также приводят к появлению множества часто мутирующих особей, потому что у них устойчивость к лекарству может появиться быстрее, чем среди бактерий, которые мутируют реже.

Некоторые критики скептически настроены по отношению к направленным мутациям, гипермутациям и их «идеологическим» следствиям. Так, Джон Рот из Калифорнийского университета в Дэвисе и Дан Андерссон из Уппсальского университета в Швеции полагают, что Кейрнс в своих первоначальных экспериментах не открыл ничего необычного. Просто у бактерий, которые он использовал, lас — оперон не был заблокирован полностью и мог все же производить нужные белки, хотя и в очень небольшом количестве; и это позволяло бактериям не погибнуть от голода. При этом вполне могло быть так, что обычная случайная мутация удвоила у одной из бактерий lас — оперон, позволивший ей утилизировать больше лактозы и размножаться быстрее. У кого‑то из потомков этой бактерии могла столь же случайно возникнуть третья копия этого участка ДНК, и естественный отбор в условиях эксперимента подхватил и эту мутацию.

Таким образом, утверждают Рот и Андерссон, E. coli вполне может расширить свою коллекцию генов лактозного оперона посредством всего лишь обычных спонтанных мутаций и естественного отбора. Кстати, по мере роста числа копий lac — оперона вероятность того, что какая‑нибудь случайная мутация восстановит одну из них до нормального рабочего состояния, также возрастает. Бактерии, которым так повезет, внезапно начнут размножаться намного быстрее, чем остальные. Позже новые мутации, возможно, избавят их от лишних дефектных копий, оставив одну нормально работающую. По мнению Рота и Андерссона, этот процесс может создавать иллюзию направленных мутаций при полном отсутствии таковых.

Дебаты на эту тему продолжаются с неослабевающей силой. Следует отметить, что вопрос этот важен как для реальной медицинской практики, так и в научном плане для понимания механизмов жизни. Если для выживания микроорганизмам действительно необходимо регулировать частоту мутаций, то мы, вмешавшись в механизм такого управления, возможно, научимся убивать бактерии более эффективно. Как мы помним, Флойд Ромесберг показал, что, если не дать E. coli повысить частоту мутаций, устойчивость у нее не разовьется. В настоящее время он и его коллеги пытаются разработать на основе своего открытия конкретные методы лечения. Они надеются, что когда‑нибудь человек одновременно с антибиотиком будет принимать особое лекарство, которое не позволит микроорганизмам увеличить частоту мутаций.

Некоторые ученые полагают, что животные и растения способны манипулировать мутациями в любых стрессовых ситуациях. Сьюзен Линдквист с коллегами из Института Уайтхеда в Кембридже (штат Массачусетс) обнаружили, что у плодовых мушек имеется своеобразный буфер, который в какой‑то степени защищает их от последствий вредных мутаций. Так, неблагоприятная мутация может привести к тому, что геометрическая форма, в которую сворачиваются молекулы определенного белка, будет неправильной. Но у плодовой мушки есть белки теплового шока, способные вернуть этим молекулам правильную форму. Линдквист утверждает, что генетическое разнообразие плодовых мушек намного шире, чем было бы возможно без помощи белков теплового шока.

Линдквист обнаружила, что стресс выявляет подобные мутации. Если в окружающей среде поднимается температура или появляются токсические вещества, даже нормальные белки в клетках мух утрачивают нормальную форму. Белки теплового шока работают на пределе возможностей и не успевают придать всем мутантным белкам правильную форму Эти белки могут очень заметно влиять на внешний вид мушек, меняя цвет глаз, форму крыльев или другие части тела.

Линдквист предполагает, что белки теплового шока позволяют мушкам накопить запас мутаций, преимуществами которых мушки могут воспользоваться в моменты стресса, не испытывая при этом в более спокойные времена никаких отрицательных воздействий с их стороны. Проявившаяся в критический момент мутация может оказаться полезной для организма, а дальнейшие мутации, возможно, позволят ей работать и после исчезновения стресса. Линдквист с коллегами нашла аналогичный буфер мутаций у растений и грибов; это позволяет предположить, что такая стратегия обычна для живых организмов. Механизм, предложенный Линдквист, немного отличается от процесса гипермутирования у E. coli, но дает, по существу, те же фундаментальные преимущества: он позволяет обуздать творческий потенциал мутаций и одновременно минимизировать связанные с ними риски.