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

У гемофилюса переключатель /л г сразу же включает гены frdB и frdC. Но у E. coli для их активации требуется также сигнал от narL. Чтобы fnr сумел поднять уровень белка NarL до величины, нужной для получения двумя генами обоих необходимых сигналов, требуется определенное время. При небольшом падении уровня кислорода этот процесс просто не успеет завершиться.

В ходе эволюции управляющая схема E. coli стала весьма и весьма устойчивой. Развитие искусственных, созданных человеком сетей помогает представить себе, как это происходило. Интернет, способный донести ваши электронные письма в любой уголок земного шара, появился не сразу в готовом виде. Он возник в 1969 г. как примитивная связь между компьютерами Калифорнийского университета в Лос — Анджелесе и Стэнфордского исследовательского института в Пало- Альто (штат Калифорния). Постепенно, с годами, к системе подключались новые организации, между ними возникали новые связи. Интернет стал устойчивым благодаря принципам своей архитектуры. Но ведь в 1969 г.никто не писал и не разрабатывал точных спецификаций на весь Интернет! Они появились сами по ходу развития. Компьютерщики, как правило, заботились в первую очередь о том, как работает каждый небольшой участок сети. Их беспокоила стоимость дальних соединений между серверами, поэтому они старались сделать все связи как можно более короткими.

Управляющая схема E. coli формировалась похожим образом. По мере того как происходила случайная дупликация генов, сеть усложнялась. Мутации соединяли заново некоторые новые гены, так чтобы они могли взаимодействовать с другими генами. Естественный отбор подхватывал благоприятные мутации и отвергал остальные. Создавая эффективные небольшие контуры, эволюция заодно формировала и устойчивую сеть.

На дуврском судебном процессе по поводу преподавания разумного замысла в школе креационисты с удовольствием сравнивали биологические системы с техническими устройствами. С их точки зрения, если что‑то в устройстве E. coli или другого организма напоминает машину, значит, это что‑то было сконструировано и создано неким разумом. И все же в конечном итоге все доказательства разумного замысла притянуты за уши. Тот факт, что E. coli и созданная человеком сеть в некоторых отношениях поразительно похожи, вовсе не означает, что микроорганизмы появились в результате разумного замысла. На самом деле факт сходства означает, что конструкторская мысль человека намного менее разумна, чем мы привыкли полагать. Наши лучшие изобретения возникают не в результате величественного полета к сияющим вершинам мысли, а в результате медленного близорукого перебора бесконечных вариантов.

Первые слова

Уберите из генома E. coli новые гены — выскочек, обеспечивающих сопротивляемость к пенициллину и другим лекарствам. Уберите более старые гены, которые E. coli приобрела в течение миллионов лет после отделения от других бактерий. Удалите более глубокие слои — те, что отвечают за строительство жгутиков, и те, которые к настоящему моменту настолько разрушены, что ни на что не годны. Удалите гены, отвечающие за муреиновый мешок, за сенсоры, регистрирующие появление пищи и опасности, за фильтры и усилители. Избавьтесь от генов, кодирующих белки, которые присутствовали еще у последнего общего предка всех живых организмов около 4 млрд лет назад.

Что же у вас останется? Не подумайте, что чистый лист. По — прежнему останется целый ряд отдельных загадочных кусочков ДНК. Это не совсем обычные гены. E. coli использует их для синтеза РНК, но никогда не использует эту РНК для производства белков. Эти гены — аналог первого, самого древнего текста на нашем палимпсесте. Ученые подозревают, что многие из них — следы древнейших организмов, существовавших на Земле до появления ДНК.

Сырье, которое использует жизнь, ничем не отличается от обычной безжизненной материи. Углерод, фосфор и другие элементы, входящие в состав нашего тела, возникли в глубинах звезд. Многие необходимые для жизни химические вещества могут быть созданы без ее участия. Полетав немного по Солнечной системе, можно было бы собрать на метеоритах и кометах немало аминокислот, формальдегида и других соединений, найденных в организме живых существ. Многие из этих веществ вошли в состав нашей планеты при ее формировании 4,5 млрд лет назад; позже их доставляли на Землю и постоянно падающая комическая пыль, и — время от времени — более крупные куски камня или льда. Сама планета работала как огромный химический реактор: калила, смешивала, фильтровала эти вещества, производя, вероятно, из них новые соединения, тоже необходимые для жизни; они присутствовали на Земле задолго до того, как появилась сама жизнь. Но есть великая тайна, которая из века в век привлекает к себе внимание ученых: как именно в этом реакторе появилась жизнь такая, какой мы ее знаем, — вместе с закодированной в двойной спирали ДНК информацией, РНК и белками.

В 1960–е гг. ученые, разобравшись более или менее с основами молекулярной биологии, пришли к единому мнению о том, что все три типа молекул не могли возникнуть на безжизненной Земле одновременно. Но какие появились первыми? Пусть ДНК — прекрасное хранилище информации, но без участия белков и РНК это всего лишь необычная нитевидная молекула. С другой стороны, белки выполняют невероятное количество функций, они способны захватывать проплывающие мимо атомы, штамповать новые молекулы или делить уже существующие молекулы на части. Но они не слишком подходят для хранения информации о строительстве белков и для передачи этой информации следующим поколениям.

В середине 1960–х гг. Фрэнсис Крик и его кембриджский коллега химик Лесли Оргел провели немало часов в размышлениях о происхождении жизни. Оба ученых пришли к одному и тому же принципиальному выводу — тому же самому, к какому самостоятельно пришел и Карл Вёзе. Может быть, ДНК и белки появились на Земле намного позже, чем жизнь? Возможно, до ДНК и белков существовала жизнь, основанная только на РНК?

В то время предположение ученых звучало довольно дико. Считалось, что основная роль РНК в клетке сводится к роли посыльного и заключается в доставке информации от генов к рибосомам, где собираются молекулы белков. Но Крик, Оргел и Вёзе обратили внимание на то, что в экспериментах на E. coli молекулы РНК выполняют и другие функции. Рибосома, к примеру, и сама состояла из нескольких десятков белков и нескольких молекул РНК. Еще одна разновидность РНК, именуемая транспортной, помогала присоединять очередную аминокислоту к концу растущей молекулы белка. Возможно, предположили ученые, РНК обладает скрытой способностью к той химической акробатике, к которой так хорошо приспособлены белки? Может быть, именно РНК первой из трех молекул возникла на безжизненной Земле, причем одни ее разновидности играли роль ДНК, а другие — белков? Может быть, ДНК и белки появились позже и оказались более приспособленными для хранения информации и организации химических реакций соответственно?

Много лет спустя Крик и Оргел признались, что после публикации в 1968 г. идея первичной РНК не получила никакого развития. Не было никаких серьезных доказательств того, что РНК обладает достаточной гибкостью и может, подобно белкам, служить катализатором химических процессов. Прошло 15 лет, прежде чем ученые начали всерьез размышлять над этой гипотезой. Через год после того, как Крик предложил свою гипотезу жизни, основанной на РНК, в Кембридж приехал молодой канадский биохимик по имени Сидней Олтмен; вместе с Криком он начал исследовать транспортную РНК. Олтмен обнаружил, что при синтезе транспортной РНК E. coli приходится отрезать от нее кусочек, чтобы молекула работала правильно. Олтмен назвал участвующий в этом процессе фермент рибонуклеазой Р (сокращенно РНКаза Р). В Кембридже, а затем и в Йельском университете Олтмен медленно и терпеливо препарировал рибонуклеазу Р, выясняя ее структуру. Он с удивлением узнал, что на самом деле это химера: наполовину белок, наполовину РНК. Исследователи выяснили, что ферментное лезвие, которое непосредственно перерезает молекулу транспортной РНК, представляет собой тоже РНК — РНК без всякой примеси. Олтмен обнаружил молекулу РНК, которая ведет себя как фермент, — нечто, о чем прежде никто и никогда не сообщал.

В 1989 г. Олтмен разделил Нобелевскую премию с биохимиком Томасом Чехом, работающим в настоящее время в Колорадском университете. Чех обнаружил аналогичную странную РНК у одноклеточного эукариота Tetrahymena thermophila, обитающего в прудах. В отличие от прокариот, эукариотам приходится вырезать большие куски РНК из разных участков молекулы, прежде чем ее можно будет использовать для синтеза белков. Как правило, куски эти вырезают белки, которые строятся с помощью матричной РНК. Но Чех обнаружил, что некоторые молекулы РНК у Tetrahymena способны разрезать себя сами, без какой бы то ни было помощи со стороны белков. Они просто складываются точно в нужном месте и отрезают сами от себя бесполезные части.