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

В 1957 г. Фрэнсис Крик выдвинул гипотезу о том, что может представлять собой подобный «словарь». Он предположил, что каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов, получившей название кодона. Гипотеза Крика требовала экспериментальной проверки, и вскоре ученые из Национального института здоровья США Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи начали соответствующие опыты. Они тщательно растерли E. coli пестиком в ступке и разлили получившуюся массу по пробиркам. В каждую пробирку они добавили одну из аминокислот, а затем — синтезированную ими РНК, состоящую из нуклеотидов одного типа, с азотистым основанием урацилом (обнаруженным в РНК, но отсутствующим в ДНК)[5]. Таким образом, эта РНК содержала единственный повторяющийся много раз кодон. Ученые хотели посмотреть, опознает ли этот кодон одну из аминокислот.

В девятнадцати пробирках ничего не произошло. В двадцатой пробирке, содержавшей аминокислоту фенилаланин, — и только в ней — сформировался новый белок. Так Ниренберг и Маттеи перевели первое слово в словаре жизни — УУУ[6], которое обозначало фенилаланин. За несколько последующих лет им и другим ученым удалось полностью расшифровать генетический код E. coli.

Расшифровав код E. coli, Маршалл Ниренберг и его коллеги попытались сравнить E. coli с животными. Они наполнили пробирки разрушенными клетками морской свинки и лягушки и добавили в них РНК. Оказалось, что оба вида использовали при строительстве белков тот же рецепт, что и E. coli. В 1967 г. Ниренберг и его коллеги объявили об открытии «по существу, универсального кода».

Ниренберг стал одним из лауреатов Нобелевской премии на следующий год. Дельбрюк получил свою премию годом позже. Ледерберг, Тейтем и многие другие ученые, работавшие над E. coli, тоже получили приглашения в Стокгольм. Скромная кишечная палочка привела их всех к славе и способствовала созданию новой науки, объединяющей все формы жизни и известной сегодня как молекулярная биология. Жак Моно, еще один нобелевский лауреат из числа работавших с E. coli, перефразировал известное утверждение Альберта Клюйвера по — новому; многие ученые и сегодня повторяют вслед за ним:

«Что верно для E. coli, верно и для слона».

Облик живого

С рождением молекулярной биологии олицетворением и главным признаком живого стали гены. В 2000 г. президент США Билл Клинтон объявил о том, что ученые завершили составление рабочего черновика структуры человеческого генома — последовательности нуклеотидов ДНК человека. Он заявил: «Сегодня мы познаем язык, на котором Бог создал человека».

Однако сами по себе гены мертвы, а их инструкции бессмысленны. Если каким‑то образом извлечь хромосому из клетки E. coli, то вне организма белки синтезироваться не будут. ДНК не сможет репродуцироваться. Эта хрупкая петелька попросту распадется. Так что познание генов живого организма — всего лишь первая ступень познания того, что для организма значит быть живым.

Многие биологи посвятили свою научную деятельность вопросу о том, что значит быть живой конкретно для E. coli. Вместо того чтобы выбрать какой‑либо иной вид и начинать все с нуля, эти ученые в своих исследованиях решили опереться на опыт предыдущих поколений исследователей. И такая стратегия привела к успеху. В 1997 г. была опубликована полная карта генома E. coli штамма К-12 с указанием расположения 4288 генов.

Благодаря накопленным за много лет знаниям о E. coli сегодня исследователю относительно несложно создать на ее основе мутантный штамм, у которого отсутствовал бы один из этих генов, а затем посмотреть по его поведению, чем управляет этот ген. И сегодня ученым известно назначение всех генов E. coli, за исключением примерно шестисот. Из сотен тысяч статей, посвященных E. coli, перед нами встает портрет живого существа, которое подчиняется законам и правилам, приложимым в той или иной форме к любому живому существу и к жизни вообще. Когда Жак Моно щеголял высказыванием о слоне и E. coli, он имел в виду лишь гены и белки. Но E. coli оказалась гораздо сложнее — и намного более похожа на нас, — чем могли предположить ученые его поколения.

Самый очевидный факт, который наблюдатель сразу замечает при взгляде на E. coli, — то, что ее вообще можно заметить. Это не туманное облачко молекул, а плотно заполненная упаковка, у которой есть внутренняя и наружная части. Вообще, границы жизни могут принимать самые разные формы. Человек обернут в мягкую кожу, а краб щеголяет в твердом наружном скелете. Секвойя отращивает снаружи кору, кальмар — слой плотной упругой ткани. E. coli окружена оболочкой толщиной всего лишь в несколько сотен атомов, но эту оболочку ни в коем случае нельзя назвать простой. На самом деле она состоит из нескольких слоев, причем каждый из них обладает собственной тонкой структурой и выполняет сложную задачу.

Оболочка E. coli — клеточная стенка — представляет собой капсулу из углевод — белковых полимеров — пептидогликанов, взбитых, как нити сахарной ваты. Снаружи она покрыта сложно устроенной внешней мембраной, которая несет множество функций: к примеру, препятствует проникновению в клетку токсических веществ. Под слоем пептидогликанов располагается трехслойная цитоплазматическая мембрана обычной структуры. Эта мембрана не позволяет крупным молекулам проникнуть в клетку E. coli и удерживает внутри микроорганизма его собственные молекулы. Сама жизнь бактерии зависит от этих молекул, постоянно взаимодействующих между собой. Благодаря тому, что 60 млн молекул E. coli плотно упакованы, химические реакции в ней могут протекать быстро. Если бы внешнего барьера не было, молекулы разбрелись бы кто куда — и E. coli перестала бы существовать.

В то же время жизнь нуждается в связи с внешним миром. Любому организму нужно, чтобы извне к нему поступали необходимые для роста вещества; кроме того, куда‑то нужно выбрасывать ядовитые отходы. Если организм не сможет питаться и избавляться от отходов, он превратится в саркофаг. E. coli решает эту проблему при помощи сотен тысяч различных пор, канальцев и насосиков во внешней мембране. Каждое отверстие имеет специфическую форму и пропускает только определенные молекулы. Некоторые из них открываются перед нужными молекулами будто в ответ на пароль.

Однако проникнуть сквозь внешнюю мембрану недостаточно; это всего лишь половина пути. Пептидогликановый слой E. coli погружен в тонкую прослойку жидкости, отделяющую его внешнюю мембрану от внутренней, так называемую периплазму. Периплазма богата ферментами, способными обезвредить опасные молекулы, прежде чем те сумеют пройти сквозь внутреннюю мембрану. Эти ферменты также разрезают ценные молекулы на части, чтобы они прошли сквозь канальцы внутренней мембраны.

Одновременно с этим через другие канальцы E. coli выводит отходы своей жизнедеятельности. Таким образом, сквозь оболочку E. coli в обоих направлениях постоянно проходят различные вещества, но это не бурный и смертельно опасный поток, а упорядоченный ручеек тщательно отобранных веществ.

Несомненно, E. coli сумела изящно решить одну из универсальных проблем жизни. Но любые решения имеют тенденцию создавать новые проблемы. Из‑за конструкции внешних барьеров этот микроорганизм постоянно находится на грани взрыва. Молекулы воды достаточно малы, чтобы свободно проскальзывать сквозь его мембрану внутрь и наружу. Внутри E. coli много белков и других крупных молекул, и для воды места остается немного. Это означает, что в любой момент молекул воды, стремящихся проникнуть внутрь E. coli, больше, чем тех, которые стремятся выйти из нее наружу. Поступившие внутрь молекулы создают в бактериальной клетке E. coli огромное давление, в несколько раз превышающее атмосферное. Даже небольшое отверстие в оболочке может привести к взрыву микроорганизма. Если уколоть человека, пойдет кровь, но E. coli, получив укол, просто взорвется.

Надо сказать, что у E. coli есть свои способы борьбы с повышенным внутренним давлением. Один из них — тот самый пептидогликановый слой, или, как его еще называют, муреиновый мешок из переплетающихся, как сеть, молекул между внешней и внутренней мембранами. Этот корсет достаточно прочен, чтобы противостоять силе поступающей воды. Кроме того, E. coli посылает к мембране целую армию ферментов, которые устраняют любые повреждения молекул, вызванные воздействием кислот, радиоактивного излучения или других факторов. Чтобы расти, бактерия должна непрерывно перестраивать свои мембраны и муреиновый мешок, осторожно встраивая дополнительные молекулы и ни на мгновение не оставляя отверстий.