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

Можно сказать, что метаболизм E. coli в определенном смысле символизирует жизнь в целом. Если разобраться, большинство живых существ получает энергию от солнца. Растения и фотосинтезирующие микроорганизмы поглощают свет и используют его энергию для роста. Представители других видов поедают тех, чье питание основано на фотосинтезе, а третьи виды, в свою очередь, поедают вторых. E. coli в этой пищевой пирамиде располагается относительно высоко и расщепляет готовые сахара, которые производят другие организмы. Саму ее, в свою очередь, тоже съедают, и ее молекулы становятся частью организма хищной бактерии, которую тоже кто‑нибудь съест. Потоки энергии порождают леса и другие экосистемы, и все они «сбрасывают» энтропию вовне, в остальную Вселенную. Солнечный свет попадает на планету, тепло излучается в пространство, и полная жизни планета — этакая Земля E. coli — поддерживает в этом потоке свое существование.

Куда же плыть?

Список необходимых для жизни условий все удлиняется. Живое существо хранит информацию в генах. Оно нуждается в защитных барьерах, чтобы сохранять жизнь и запасать энергию для добывания пищи, которая пойдет на строительство новой живой материи. Но если живое существо не сможет добыть пищу, долго оно не проживет. Все живое должно двигаться — лететь, ползти, плыть по течению, пускать усики вверх по водосточной трубе. А чтобы быть уверенными, что движение идет в правильном направлении, большинство живых существ должно решить, куда двигаться.

Разумеется, человек использует для принятия этого решения те миллиарды нейронов, которые находятся в головном мозге. Чувства поставляют мозгу реки информации, а мозг отзывается на них управляющими сигналами, которые контролируют движение тела. С другой стороны, у E. coli нет мозга. У нее вообще нет нервной системы. Мало того, E. coli в несколько тысяч раз меньше по размеру, чем любая нервная клетка человеческого организма. Тем не менее крошечные размеры не мешают ей воспринимать окружающий мир. Она способна собирать информацию и вырабатывать решения: например, решать, куда двигаться.

E. coli плавает, как неуклюжая подводная лодка. По сторонам ее вытянутого тела имеется с полдюжины пропеллеров. По внешнему виду каждый из них напоминает не корабельный винт, а скорее, длинный кнут, тянущийся за бактерией. У основания каждого хвостика (или жгутика, как их называют микробиологи) располагается гибкий крюк, прикрепленный к мотору. Мотор представляет собой скопление белковых молекул в виде колеса; он способен вращаться со скоростью 250 оборотов в секунду, а топливом ему служат протоны, попадающие внутрь бактериальной клетки через особые поры в этом механизме. Каждый жгутик состоит из одинаковых субъединиц — молекул белка флагеллина, уложенных по спирали вокруг полой сердцевины.

Жгутик E. coli вращается с помощью белкового мотора, вмонтированного в клеточную оболочку

Большую часть времени моторы E. coli вращаются против часовой стрелки; при этом все жгутики скручиваются в единый кабель — жгут, который тянется позади бактерии. Скручиваются они очень аккуратно, потому что каждый жгутик слегка закручен в нужном направлении; они складываются, как полосы на спирально окрашенном столбе. Вращаясь вместе, жгутики отталкиваются от окружающей жидкости и гонят бактерию вперед.

E. coli способна проплыть за секунду расстояние, в десять раз превышающее длину ее тела. Отметим, что самый быстрый пловец — человек проплывает за секунду всего лишь две своих длины. А ведь E. coli приходится преодолевать дополнительные трудности, потому что в микромире вода ведет себя совершенно иначе с точки зрения физических законов, чем в нашем привычном мире. E. coli вода представляется вязкой, как нефть. Прекратив усилия, она останавливается за миллионную долю секунды. Никакой инерции, никакого движения вперед. E. coli останавливается не то что на том же шаге, но буквально на том же атоме.

Примерно раз в секунду E. coli переводит свои моторы на реверсивный ход и совершает кульбит. Когда моторы вращаются по часовой стрелке, жгутики уже не могут удобно свернуться спиралью. Теперь спиральный изгиб, наоборот, заставляет их растопыриться и, образно говоря, встать дыбом. Такой кульбит длится около десятой доли секунды, затем E. coli вновь меняет направление вращения своего мотора на первоначальное — по часовой стрелке. Жгутики вновь удобно сворачиваются, и бактерия плывет дальше.

Первым ученым, кто как следует изучил механизм движения E. coli, стал Говард Берг, биофизик из Гарварда. В начале 1970–х гг. Берг построил микроскоп, способный отслеживать движение единичной E. coli в капле воды. После каждого кульбита ориентация тела и, соответственно, направление движения палочки менялись случайным образом. Берг зарисовал траекторию движения одного микроорганизма в течение нескольких минут и получил на листе каляку — маляку; наверное, так мог бы выглядеть клубок пряжи в невесомости. Непрерывно работая жгутиком, E. coli все это время оставалась в пределах крошечного пространства и никуда особенно не продвигалась.

Но стоит бактерии почувствовать что‑то интересное, как она устремится в заданном направлении. Способность E. coli ориентироваться в пространстве достойна удивления — ведь у нее так мало возможностей. У нее нет ни колес, ни крыльев; все, что она способна делать, — это плыть прямо или кувыркаться. К тому же она получает так мало информации об окружающей среде! E. coli не может воспользоваться атласом, посмотреть или прислушаться; она способна лишь почувствовать молекулы, на которые случайно наткнулась в своих странствиях. Зато уж эти ограниченные возможности бактерия использует на полную катушку. Опираясь на несколько простых и элегантных правил, E. coli всегда попадает туда, куда ей нужно попасть.

У E. coli есть мембранные рецепторы, внешние концы которых торчат наружу, как перископы у подводной лодки. На переднем конце бактерии сосредоточено несколько тысяч таких рецепторов; они служат ей в качестве своеобразного «языка». Эти рецепторы делятся на пять разных типов, каждый из которых связывает определенные молекулы. Некоторые молекулы привлекают E. coli, другие внушают отвращение. Привлекательная молекула (например, аминокислота серин) запускает внутри микроорганизма последовательность химических реакций с простым результатом: E. coli увеличивает промежуток направленного движения между кульбитами. До тех пор пока концентрация серина в окружающей жидкости растет, E. coli продолжает делать более длинные заплывы и реже менять направление. Если очередной кульбит направит бактерию прочь от источника серина, участки ее прямолинейного движения сразу же станут короче. Этого простого принципа достаточно, чтобы E. coli медленно, но верно продвигалась к точке максимальной концентрации серина. Добравшись до места, она там и остается, вновь вернувшись к бесцельному кувырканию.

Ученые начали разбираться в способе восприятия и движения E. coli в 1960–е гг. Этот микроорганизм был выбран из‑за своей простоты: исследователям казалось, что и разобраться в нем будет несложно. В конце концов, работу белков в лабораториях мира уже 20 лет изучали на всевозможных мутантных штаммах E. coli. А разобравшись с обработкой информации у E. coli, можно будет переходить к более сложным системам обработки информации, включая и человеческий мозг. Сегодня, более 40 лет спустя, ученые понимают сигнальную систему E. coli лучше, чем любого другого биологического вида, но эта работа еще далеко не закончена. Некоторые части этой системы действительно оказались несложными. Так, E. coli не нужно рассчитывать фигуры высшего пилотажа, всякие бочки и штопоры. Ее простая стратегия (движение — кульбит) работает очень хорошо. Может быть, не каждая кишечная палочка попадет в точности туда, куда ей нужно, но многие попадут — и именно эти микроорганизмы выживут и оставят потомство (а значит, передадут отпрыскам стратегию движение — кульбит). Это все, что на самом деле нужно бактерии.

Тем не менее некоторые важные аспекты навигационной системы E. coli пока не поддаются расшифровке. «Язык» микроорганизма способен различать крохотную разницу в концентрации интересующих E. coli молекул — вплоть до одной тысячной. Бактерия умеет усиливать сигналы — каким образом, ученые до сих пор не поняли. Возможно, рецепторы E. coli работают согласованно: один из них, поворачиваясь, заставляет повернуться и соседние. Не исключено, что бактерия умеет анализировать одновременно различные потоки информации: ага, концентрация кислорода быстро растет, никеля — снижается, чуть потянуло глюкозой. Вообще, со временем может оказаться, что набор рецепторов у E. coli — не просто своеобразный бактериальный «язык»; может быть, лучше было бы назвать его мозгом.