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

Некоторые черты сходства между нами — результат общего происхождения и наследие самых ранних стадий развития жизни на Земле. В других случаях сходство — результат конвергенции[25] разных эволюционных путей, которые привели нас к одному и тому же решению проблемы. Но случаи конвергенции лишь подтверждают слова Моно. Они свидетельствуют о том, что несмотря на 4 млрд лет независимого развития и человек, и E. coli сформированы одними и теми же мощными эволюционными силами.

Однако мне доводилось встречать ученых, которые выходят из себя всякий раз при упоминании замечания Моно. Ничего удивительного — ведь оно игнорирует самые фундаментальные различия между слоном и E. coli. Геном слона — а также человека, лишайника и всех прочих эукариот — намного больше генома E. coli. В геноме человека, к примеру, генов примерно впятеро больше. Кроме того, наш геном разбавлен большим количеством ДНК, в которой не закодированы никакие белки. Еще одно серьезное различие заключается в белках, при помощи которых происходит репликация ДНК. Судя по всему, они никак не связаны с белками, которые используют E. coli и другие бактерии. Эукариоты иногда обмениваются генами, но происходит это намного реже, чем у E. coli. Невозможно через рукопожатие получить от приятеля гены голубых глаз. Да и способы размножения у нас и у £ coli совершенно разные. Лишь крохотная доля клеток человеческого тела способна успешно передать гены следующему поколению, и геном человека несет в себе достаточно информации для величественного развития нового тела с триллионом клеток, двумя сотнями клеточных типов и десятками органов.

Различия между нами велики и бесспорны, но ученые на удивление слабо представляют себе, как они могли возникнуть. Вопрос о том, почему мы в некоторых отношениях так мало похожи на E. coli, остается открытым. Должно быть, ответ на него кроется где‑то в туманных глубинах прошлого, в тех временах, когда жизнь на Земле только начинала свое развитие. Ученые сходятся в том, что жизнь очень рано разделилась на три ветви, и различия между ними — особенно отделяющие эукариот от бактерий и архей — с самого начала были очень глубокими. Однако в данный момент среди специалистов распространено несколько принципиально разных теорий о том, как возникло такое деление. Одни утверждают, что эукариоты произошли от архей, заглотивших аэробные (кислорододышащие) бактерии. Другие считают, что раскол произошел намного раньше, еще до того, как жизнь пересекла границу, разделяющую «мир РНК» от «мира ДНК».

Лично мне особенно интересным представляется другое объяснение, выдвинутое Патриком Фортером, биологом — эволюционистом из парижского Института Пастера. Он полагает, что принципиальный раскол между нами и E. coli — результат работы вирусов.

Действие в сценарии Фортера начинается в «мире РНК» еще до разделения всего живого на три ветви. РНК- содержащие организмы беспорядочно обменивались генами. Через какое‑то время некоторые из этих генов «выбрали» для себя специализацию паразитов и начали развиваться в этом направлении. Они отказались от собственных устройств для репликации генов, но стали проникать в другие организмы и использовать их механизмы. Это были первые вирусы, и они до сих пор с нами; это РНК- содержащие вирусы, такие как вирусы гриппа и обычной простуды, а также ВИЧ.

Именно РНК — содержащие вирусы, утверждает Фортер, «изобрели» ДНК, ведь именно вирусы получили от нее немедленное и очень мощное преимущество. Вирус мог объединять комплементарные однонитевые молекулы РНК в двойные спирали, которые более защищены от атак ферментов хозяина. Это был как бы прообраз будущей ДНК — гораздо более устойчивой и стабильной молекулы. Для появления ДНК должны были образоваться ферменты, способные превращать субстраты для синтеза РНК (рибонуклеотиды) в субстраты для синтеза ДНК (дезоксирибонуклеотиды). Первые ДНК появились в результате синтеза на матрице РНК. Для этого тоже понадобились специальные ферменты. Наконец, появление еще одного нового класса ферментов, с помощью которых происходит репликация ДНК, ознаменовало закат «мира РНК» и возникновение «эпохи ДНК». Превращение клеток с РНК — геномом в клетки с привычным для нас ДНК- геномом произошло, по предположению Фортера, в результате заражения ДНК — содержащими вирусами.

Первые вирусы, вероятно, сформировали целый спектр различных вариантов взаимоотношений с хозяевами. Полезно вспомнить современные вирусы, паразитирующие на E. coli: смертельно опасные, от которых бактерия просто лопается, выпуская наружу сотни новых вирусов; тихие, которые вызывают у хозяина проблемы только в стрессовой ситуации; и полезные, которые навсегда встроились в организм хозяина и живут с ним в мирном сотрудничестве. Фортер утверждает, что и в те далекие времена некоторым ДНК — содержащнм вирусам удалось прочно и навсегда обосноваться в РНК — содержащих хозяевах. Одомашнившись, они потеряли гены, нужные для выхода из хозяина наружу и для формирования белковой оболочки, и превратились в «голую» ДНК, хранящую гены, нужные для собственного воспроизводства.

Только так, считает Фортер, РНК — жизнь могла перейти к использованию ДНК. Время от времени возникали мутации, в результате которых гены из РНК — хромосомы встраивались в ДНК — хромосому вируса. Они оказывались более стабильными и менее склонными к губительным мутациям, чем прежние РНК — гены. Естественный отбор благоприятствовал организмам с большим количеством генов в ДНК — хромосоме, чем в РНК. Со временем РНК- хромосома съеживалась, а ДНК — хромосома, наоборот, росла, и в конце концов организм полностью перешел на хранение информации в двойной спирали. На язык ДНК оказались переведены даже гены рибопереключа- телей и других реликтов «мира РНК». Фортер предполагает, что подобный «вирусный захват» в истории жизни на Земле произошел трижды, и каждое из трех вторжений ДНК — содержащих вирусов привело к рождению одной из трех ветвей жизни.

Фортер утверждает, что его сценарий объясняет, в частности, принципиальную разницу между генами, общими для всех трех доменов (надцарств) живой природы, и генами, уникальными для каждого из них в отдельности. В начале своей научной карьеры Фортер занимался изучением ферментов, при помощи которых E. coli синтезирует ДНК. Подобные ферменты существуют и у других видов бактерий. Но у архей и эукариот вы ничего подобного не найдете. Разница, по мнению Фортера, состоит в том, что предки E. coli и других бактерий получили свои ферменты, участвующие в репликации ДНК, от какого‑то одного штамма вирусов, архей — от другого, в то время как для появления эукариот потребовалось несколько разных вирусов — основателей.

После того как три ветви жизни разошлись, их развитие пошло разными путями. Наши собственные предки — первые эукариоты — возможно, получили ряд признаков также от вирусов. Эукариоты со временем стали крупнее, чем бактерии и архей, а их популяции, соответственно, малочисленнее. Надо сказать, что в небольших популяциях мутации с незначительным вредным эффектом распространяются легче просто благодаря случайным процессам, и, может быть, только в этот период геном эукариот начал расширяться. Вставки некодирующей ДНК в геном, возможно, поначалу мешали их обладателю, но со временем они, вероятно, дали эукариотам способность осуществлять перестановки генных сегментов, чтобы кодировать разные белки. У человека насчитывается 18 000 генов, но с их помощью каждый из нас может синтезировать около 100000 различных белков.

Сегодня предположение Фортера радикально примерно настолько же, насколько радикальным было в 1968 г. предположение о том, что вся жизнь на Земле когда‑то основывалась на РНК. И проверка этой гипотезы потребует не меньше усилий. Но размышлять о том, что означала бы правота Фортера, чрезвычайно интересно. В этом случае разница между слоном и E. coli означала бы на самом деле еще одно фундаментальное сходство. Мы — все живые существа — различаемся между собой только потому, что болеем от разных вирусов.

Глава 10. Играющая природа

Портрет в протоплазме

В лаборатории Кристофера Войта в Калифорнийском университете в Сан — Франциско E. coli может изготовить для вас портрет. Войт поместит вашу фотографию перед специально затененным хитроумным устройством. Отраженный от картинки свет попадает на пластинку покрытую тонким слоем E. coli. Этот штамм Войт и его коллеги создали в 2005 г. Они пересадили бактерии гены, часть из которых позволяет им чувствовать свет, а часть — продуцировать темный пигмент. Гены подключены таким образом, что если микроорганизм ощущает свет — к примеру, отраженный от фотографии, — то гены, отвечающие за синтез пигмента, блокируются. Бактерии, на которые попадают фотоны, отразившиеся от светлой части фотографии, остаются прозрачными. Те же, на которые свет не попадает, продолжают вырабатывать пигмент и постепенно темнеют. На пластинке проявляется изображение — мутноватое и нерезкое, но вполне узнаваемое.