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

До 1963 г., когда Ватанабэ написал на английском языке длинный обзор для журнала Bacteriological Review, мало кто из ученых за пределами Японии знал об этих открытиях. Западные ученые были поражены. Они поставили собственные эксперименты и убедились, что Цутомо Ватанабэ совершил крупное открытие. Оказывается, гены способны курсировать между бактериями, причем не одним способом. Некоторые из них переносятся с места на место плазмидами; в перемещении других принимают участие вирусы. Вирусы случайно встраивают в свой геном гены хозяина, а затем переносят их в нового хозяина, которого инфицируют. Иногда бактерии попросту целиком «заглатывают» ДНК, высвободившуюся в момент гибели другой бактерии. Так получается, что гены резистентности могут передаваться не только между особями одного вида, но и между разными видами микроорганизмов.

Горизонтальный перенос генов, как теперь называется это явление, лучше всего работает в тех местах, где в небольшом объеме сосредоточено множество бактерий. Так, передача генов между бактериями нередко происходит в человеческом организме, а также в организме цыплят и других домашних животных, которых кормят антибиотиками. Даже комнатные мухи, зараженные E. coli, могут стать местом обмена генами. Горизонтальный перенос позволяет генам перепрыгивать из одного микроба в другой и перемещаться территориально на поразительно большие расстояния. В джунглях Французской Гвианы ученые обнаружили резистентную к антибиотикам E. coli в кишечнике индейцев — ваямпи, никогда этих лекарств не принимавших. При исследовании E. coli, живущей в Великих Озерах, другая команда ученых обнаружила гены резистентности у 14 % бактерий.

Горизонтальный перенос не просто способствует распространению генов резистентности, но и подстегивает их эволюцию. Ген, обеспечивающий резистентность к антибиотику, может принести пользу не только своему первоначальному хозяину, но и другим бактериям, в чьем геноме он окажется. При этом в геноме новых хозяев ген продолжает подвергаться естественному отбору и вполне может стать еще более эффективным. Микроорганизм способен собрать в себе целый арсенал средств защиты от антибиотиков; при этом он не просто наследует эти средства от предков, а пользуется достижениями всего сообщества бактерий.

Биологи далеко не сразу поняли все значение японской вспышки шигеллеза. Горизонтальный перенос генов — причина настоящей медицинской катастрофы, которая продолжает разворачиваться в настоящее время. Но биологам долгое время не удавалось обнаружить какие бы то ни было свидетельства такого переноса в других ситуациях, помимо резистентности к антибиотикам. Тому были объективные причины. Только в 1990–е гг. ученые смогли сравнить полный геном E. coli с геномами других бактерий и как следует поискать в нем гены, полученные путем горизонтального обмена. Подобные исследования навсегда изменили наши представления об истории жизни на Земле. Сегодня мы знаем, что горизонтальный перенос генов — отнюдь не тоненький часто пересыхающий ручеек ДНК. Это настоящий поток. И сегодняшний облик E. coli — во многом его заслуга

Глава 8. Открытый код

Молодой вид

За судьбой E. coli внимательно следят тысячи персональных биографов. Они регистрируют рождение новых болезнетворных штаммов в Омахе и Осаке. В поисках микроорганизмов они тщательнейшим образом исследуют ручьи, озера и кишечник кенгуру. Они внимательно наблюдают, как ведут себя и какие трюки выделывают необычные мутантные штаммы. Поскольку мутантов передают из лаборатории в лабораторию, замораживают в хранилищах и вновь оттаивают для дальнейших экспериментов, ученые, как правило, в состоянии достаточно далеко проследить родословную своих E. coli. Ни один биологический вид — кроме, конечно, нас самих — не удостоился такого внимания со стороны человека.

На данный момент письменная история E. coli столь обширна, что ни один человек на протяжении своей жизни не сможет даже просто ознакомиться с ней. Но при всей обширности история эта достаточно поверхностна. Начинается она с 1885 г., с первых сделанных Теодором Эшерихом набросков увиденных под микроскопом групп палочковидных объектов. Несколько штрихов к истории E. coli до Эшериха могут, как ни удивительно, добавить археологи. В 1983 г. английские торфоразработчики обнаружили тело человека, пролежавшее в болоте недалеко от Манчестера 2200 лет. Человек этот стал жертвой ритуального убийства: ему нанесли удар по голове дубиной, перерезали горло, затянули на шее веревку и столкнули в трясину. Богатая кислотами болотная вода сохранила не только тело, но и содержимое его желудочно — кишечного тракта. В желудке древнего человека ученые обнаружили ячмень и омелу. А в кишечнике — ДНК E. coli.

Нет никаких оснований думать, что найденный в болоте человек был первым, в чьем кишечнике обитала E. coli. Напротив, есть все основания считать, что история нашей бактерии началась гораздо раньше. Надо сказать, что палеонтологическая летопись не обошлась без бактерий. Отдельные микроорганизмы оставили свой след на камнях по крайней мере 3,7 млрд лет назад. Рифы, выстроенные бактериями 3 млрд лет назад, до сих пор тянутся на многие километры по территории Африки и Канады. E. coli ведет достаточно незаметное в геологическом плане существование и практически не образует окаменелостей. Однако их недостаток она с избытком компенсирует при помощи подробных записей в своей ДНК. Эта генетическая летопись разворачивается перед нами, как ковровая дорожка, и уходит в прошлое на миллионы лет — к происхождению кишечной палочки как вида, а затем и дальше в прошлое, к тому времени, когда жизнь еще не вышла на сушу, и еще дальше, к возникновению клетки и самому началу жизни на Земле.

Чтобы прочесть эту богатую событиями летопись, нужно стать специалистом по генеалогии бактерий. Если у E. coli происходит мутация, она передается ее потомкам. Если собрать коллекцию E. coli, то у некоторых штаммов обнаружатся общие генные последовательности, которых у других не окажется. Эти мутации иногда могут служить генетическими маркерами, показывая ученым, какие группы бактерий связаны между собой родственными отношениями. Во время вспышки заболеваний, вызываемых болезнетворной E. coli, эти маркеры позволяют работникам здравоохранения быстро отыскать источник инфекции. Другие ученые при помощи генетических маркеров восстанавливают генеалогическое древо E. coli. Впереди у них еще много работы, но они уже добавили к генеалогическому древу бактерии достаточное количество новых ветвей, чтобы узнать о ней чрезвычайно важные вещи.

Все ныне существующие штаммы кишечной палочки происходят от первых представителей этого вида. Ученые приблизительно представляют, когда появились первые Е. coli. В 1998 г. Джеффри Лоуренс из Питтсбургского университета и Говард Охман из Аризонского университета примерно определили, когда отделились друг от друга предки E. coli и ее близкого родственника — бактерии Salmonella enterica. Лоуренс и Охман тщательно подсчитали все различия в ДНК этих бактерий. Считается, что после того, как два вида отделяются от некоего общего предка, они непрерывно мутируют с примерно постоянной (и одинаковой) частотой. Лоуренс и Охман определили, что общий предок этих бактерий жил около 140 млн лет назад. В 2006 г. Охман с несколькими коллегами пробовали определить происхождение E. coli с помощью другого источника информации: они провели исследование штаммов E. coli и попытались оценить, когда жил их общий предок. Ученые пришли к выводу, что от 10 до 30 млн лет назад этот вид был уже вполне сформирован. E. coli намного старше человека, найденного в английском болоте, но это не означает, что эта бактерия представляет собой живое ископаемое. По степени примитивности она вполне сравнима с каким‑нибудь приматом.

Предки E. coli отделились от предков сальмонеллы в те времена, когда на Земле властвовали динозавры, а над головой летали птерозавры и птицы, которые по — прежнему могли похвастаться зубастыми клювами и когтями на крыльях. Из млекопитающих самыми типичными тогда были мелкие существа, напоминавшие белку. Около 65 млн лет назад эта картина начала резко меняться. Птерозавры и крупные динозавры вымерли — отчасти, вероятно, из‑за астероида, упавшего в Мексиканский залив. Вскоре после этого млекопитающие разделились на летучих мышей, громадных слоноподобных травоядных, кошкоподобных и собакоподобных хищников, грызунов и прыгающих по деревьям приматов. Птицы тоже приобрели современный вид. Но млекопитающих и птиц объединяет не только успех в вопросе выживания. Их предки независимо друг от друга развили способность поддерживать постоянную температуру тела. Их кишечник стал подходящей средой обитания для бактерий, в том числе для предков E. coli. Активный метаболизм теплокровных животных требует обильной пищи, а богатый питательными веществами рацион способен прокормить, помимо хозяина, еще и целую уйму бактерий. Жизнь в кишечнике, где всегда тепло, позволяет ферментам микроорганизмов работать быстро и эффективно. Возможно, тот факт, что расцвет E. coli совпадает по времени с расцветом ее нынешних хозяев, — не просто совпадение.