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

Миф о спутанных макаронах

Сложный чувствительный «язык» E. coli не слишком хорошо согласуется с традиционными представлениями о бактериях как примитивных и простых существах. Еще в середине XX в. бактерии сохраняли репутацию примитивных живых организмов, реликтов ранних этапов эволюции жизни. Считалось, что это всего лишь мешочки с ферментами и некоторым количеством ДНК, плавающей внутри подобно комку спутанных макарон. Их противопоставляли так называемым «высшим» организмам (животным, растениям, грибам), клетки которых удивительно организованы — ДНК в них аккуратно намотана на белковые катушки (каждая молекула ДНК намотана на множество маленьких катушек) и скомпонована в хромосомы, а хромосомы заключены в ядро. В этих клетках есть и другие отделы со своими функциями, такими как производство энергии или внесение последних штрихов при строительстве белковых молекул. Кроме того, эти клетки обладают собственным скелетом, состоящим из сети перекрещивающихся волокон.

Контраст между двумя видами клеток — неупорядоченными и хорошо организованными — был так силен, что в середине 1900–х гг. ученые именно по этому признаку разделили живые организмы на две большие группы. Все биологические виды, в клетках которых имеются ядра, стали называть эукариотами, что в переводе с греческого означает «истинное ядро». Все остальные виды, включая E. coli, назвали прокариотами. Подразумевалось, что до появления настоящего ядра существовали только прокариоты — примитивные и неорганизованные, а эукариот эволюция создала позже, привнеся тем самым порядок в окружающий нас мир.

Надо сказать, что такой подход несет в себе зерно истины. Общий предок всех живых организмов почти наверняка не имел клеточного ядра и, вероятно, выглядел примерно как сегодняшние прокариоты. Эукариоты отделились от прокариот более 3 млрд лет назад, но ядро и остальные отличительные признаки приобрели позже. Однако на самом деле разница между прокариотами и эукариотами не так велика, как представляется на первый взгляд. Просто организованность эукариот бросается в глаза. В человеческой клетке можно без труда увидеть хромосомы, замысловатые изгибы аппарата Гольджи и похожие на сардельки митохондрии. География такой клетки очевидна. Но оказывается, у прокариот тоже есть своя география. Они содержат молекулы в строгом порядке, но ученые лишь недавно начали потихоньку узнавать этот тайный порядок.

И, как обычно, многие открытия связаны с E. coli. Кишечной палочке и другим микроорганизмам, чтобы выжить, необходимо решить множество сложнейших проблем, но самая серьезная из них — поддержание порядка в собственной ДНК. Дело в том, что хромосома E. coli в тысячу раз длиннее самой бактерии. Если просто засунуть ее внутрь бактерии, то двойная спираль молекулы ДНК скрутится в кошмарный клубок, как спутанная бечевка. Ферменты, считывающие гены, не смогут разобраться в такой путанице, не найдут там ни начала, ни конца. Они даже не смогут связаться с цепочкой ДНК для производства новых белков.

Существует и другая причина, по которой E. coli должна уделять своей ДНК особое внимание: эта молекула очень уязвима. Когда бактерия превращает пищу в энергию, среди отходов встречаются и заряженные атомы, которые вполне способны столкнуться с ДНК и выбить кусочек, оставив разрыв в одной из нитей. В образовавшийся разрыв притягиваются молекулы воды, которые, в свою очередь, могут разрушить связи между двумя нитями и разделить молекулу надвое, как застежку — молнию.

Лишь сравнительно недавно ученые начали понимать, как организована ДНК E. coli. Эксперименты показали, что ее хромосома свернута в сотни петель и скреплена при помощи особых белковых структур, которые работают наподобие «прищепок». Каждая петля закручена сама на себя, но «прищепки» не дают скрутиться остальной части хромосомы. Когда у E. coli возникает необходимость прочесть какой‑то конкретный ген, к нужному участку направляется группа белковых молекул. Одни белки разделяют нити ДНК, позволяя другим пройти вдоль одной из нитей и синтезировать РНК — копию гена. Третьи при этом удерживают каждую из нитей и не дают им скрутиться и спутаться во время копирования. Как только молекула РНК синтезирована, нити ДНК вновь смыкаются.

При размножении E. coli сталкивается с куда более серьезными проблемами. При делении бактерия должна создать копию своей ДНК — реплицировать ее, после чего получившиеся хромосомы расходятся в разные концы клетки, — и разделиться на две дочерние клетки. E. coli способна проделать все перечисленное с идеальной точностью всего за 20 минут.

Первый шаг в создании новой E. coli — копирование более чем миллиона пар нуклеотидов, составляющих молекулу ДНК, — начинается, когда два десятка различных ферментов сходятся к одной точке хромосомы бактерии. Одни ферменты разделяют на небольшом участке нити ДНК, другие не дают им вновь соединиться, пока репликация этого участка не закончится. Две группы ферментов[8] начинают двигаться вдоль каждой нити, строя рядом со старой новую, с комплементарными нуклеотидами. Сзади них нити ДНК вновь смыкаются. Такая группа может достраивать к нити ДНК около 1500 новых нуклеотидов в секунду. Время от времени на пути группы встречаются «прищепки», которые удерживают нить и не дают ей скручиваться. Ученые подозревают, что каждая «прищепка» должна каким‑то образом раскрыться, чтобы пропустить через себя группу реплицирующих ферментов, а затем сомкнуться вновь. Иногда ферменты, участвующие в репликации ДНК, встречаются с другой группой ферментов[9], занятой синтезом РНК для производства белков, и вынуждены ждать, пока процесс будет закончен. Лишь после этого они возобновляют свою работу. Несмотря на все препятствия, группы ферментов, синтезирующие ДНК, работают не только быстро, но и необычайно точно. Допустимое для них число ошибок чрезвычайно мало.

Ферменты копируют ДНК, и постепенно на месте одной появляется две хромосомы. Формирующиеся молекулы все время остаются связанными, как звенья одной цепочки. Потом специальный фермент[10] разъединяет кольцевые хромосомы, которые сразу же начинают расходиться в разные концы клетки. Ученые сегодня много знают о том, как у E. coli происходит репликация ДНК, но по — прежнему не пришли к единому мнению по поводу того, каким образом двигаются ее хромосомы. В последнее время показано, что это активный процесс, в котором принимают участие несколько групп специальных белков. После расхождения хромосом E. coli может начать процесс деления клетки.

Следует заметить, что бактерия должна разделиться очень точно как в пространстве, так и во времени. Если начать процесс деления прежде, чем разойдутся хромосомы, ДНК тоже окажется разделена. Если деление произойдет слишком близко к какому‑то из концов, то один потомок E. coli окажется обладателем пары хромосом, а второму хромосом вообще не достанется. Подобных катастроф практически не случается. E. coli, как правило, всегда делится почти точно посередине — и почти всегда в тот момент, когда две только что сформированные хромосомы успели разойтись в разные концы.

Чтобы этот точно выверенный танец прошел без сбоев, нужна согласованная работа нескольких типов белков. Ключевой белок деления у большинства бактерий — белок FtsZ. Когда E. coli готова к делению, происходит полимеризация FtsZ, молекулы которого выстраиваются в кольцо вдоль внутренней цитоплазматической мембраны примерно посередине бактериальной клетки. Кольцо из полимеризовавшегося FtsZ — Z — кольцо — заякоривается на мембране при помощи «вспомогательных» белков и начинает постепенно сжиматься, образуя перетяжку; в результате формируются две дочерние клетки.

Выстраивая кольцо посередине клетки, белок FtsZ не пользуется картой бактерии и не измеряет ее линейкой. Полимеризоваться именно в середине бактериальной клетки FtsZ вынуждают белки системы Min — D, С и Е. Они не дают FtsZ полимеризоваться там, где не надо.

Ингибитором полимеризации FtsZ служит белок MinC. Но активируется он, только связавшись с белком MinD. Белок MinD может прикрепляться к мембране на полюсах клетки, где он полимеризуется и связывается с MinC, что приводит к деполимеризации FtsZ вблизи полюсов клетки. Белок MinE тоже полимеризуется вблизи полюсов клетки в виде так называемого Е — кольца и препятствует формированию комплекса MinD/C. Стоит комплексу MinD/C разрушиться, как MinC инактивируется и не может препятствовать полимеризации FtsZ. Таким образом, MinE препятствует формированию комплекса MinD/C в центральной части. Поэтому только в центральной части клетки у FtsZ есть шанс сформировать кольцо.

Но даже там формирование кольца большую часть времени блокируется хромосомой и сопутствующими ей белками. Только после того, как завершится репликация хромосомы и две ее копии разойдутся из середины клетки к краям, там образуется достаточно свободного места, чтобы молекулы FtsZ могли закрепиться и начать деление микроорганизма надвое.