Владимир Бетина - Путешествие в страну микробов

• Название: Путешествие в страну микробов
• Автор: Владимир Бетина
• Издательство: Мир
• Жанр: Биология
• Год: 1976

Первые шаги ученых в исследовании микроорганизмов, место микроорганизмов в биосфере, вирусы и механизм наследственности, использование микроорганизмов на благо человека — таков далеко не полный перечень проблем, которые освещает в своей книге словацкий ученый. Многочисленные фотографии, схемы и рисунки помогают лучше понять те сложные процессы природы, о которых лаконично и просто рассказывает автор.

Книга рассчитана на школьников старших классов, интересующихся миром микроорганизмов, на студентов, аспирантов и преподавателей.

---

Дальнейшие предсказания Жакоба и Моно

Первое предсказание об информационных РНК оказалось справедливым. Но Жакоб и Моно высказали еще одно предположение, которое также понемногу подтверждается. Согласно изложенному представлению, структура ферментов закодирована в молекулах ДНК. Но бактериальная клетка и в синтезе ферментов должна «поступать рационально». X. Э. Умбаргер со своими сотрудниками показал, что бактерии способны прекращать синтез ферментов, необходимых для образования той или иной аминокислоты, когда ее количество достигнет определенного уровня.

Жакоба и Моно заинтересовало, однако, другое явление. Бактерии Escherichia coll обладают многими любопытными свойствами. Так, они способны использовать молочный сахар — лактозу. Но для его потребления им необходимо три фермента. Назовем их А, Б и В. Было установлено, что эти ферменты вырабатываются только тогда, когда в питательной среде находится лактоза. Если заменить ее другим видом сахара, например глюкозой, ферменты А, Б и В в клетках не образуются. Но стоит нам перенести их в среду, содержащую лактозу, и через какую-то минуту в нашем распоряжении будут все три фермента.

Регулирующее действие оперона лактозы. Регулирующий ген i определяет с помощью иРНК возникновение репрессора, который связывается с оператором о и препятствует образованию ферментов (слева). В присутствии индуктора репрессор отделяется от оператора, в результате чего становится возможным образование ферментов. Промотор р необходим, чтобы дать импульс к синтезу иРНК. управляющих образованием ферментов (справа)

Этот интересный факт Жакоб и Моно попытались объяснить существованием «репрессора». Что же такое репрессор? По представлению этих ученых, основную роль в синтезе ферментов А, Б и В играют пять взаимосвязанных генов. Первый из них, регулятор, содержит в себе «рецепт» синтеза сравнительно простого соединения — репрессора. На других участках хромосомы размещаются остальные четыре гена, функционирующие как «опероны». Один из этих генов называется оператором, остальные — структурные гены А, Б и В, в которых находятся «рецепты» изготовления ферментов А, Б и В. Их деятельность, однако, контролирует оператор, выступающий в качестве «заведующего производством». Когда оператор свободен, структурные гены могут работать; иначе говоря, на цепочках их ДНК может осуществляться синтез трех соответствующих иРНК, которые передают «рецепт» получения трех ферментов рибосомам. Если же оператор занят, структурные гены не могут работать, оперон (как целое) бездействует и ферменты не вырабатываются. Регулирование активности оператора обеспечивает молекула репрессора. Если лактозы нет в среде, репрессор присоединяется к оператору и производство трех ферментов прекращается. Как только в среде появляются первые молекулы лактозы, положение меняется. Молекулы лактозы присоединяются к репрессору и изменяют его так, что он отделяется от оператора. Освобожденный оператор «дает импульс» к выработке ферментов, и структурные гены при посредничестве трех иРНК контролируют этот процесс. Полученные ферменты А, Б и В начинают свою деятельность и изменяют имеющуюся лактозу. Наконец молекул лактозы остается так мало, что они не в состоянии блокировать действия репрессора, молекулы которого возвращаются на свое прежнее место к оператору. Цикл, таким образом, замыкается. С присоединением репрессора к оператору дальнейшее образование ферментов А, Б и В становится невозможным, в них отпадает надобность, так как лактозы в среде уже нет.

Первые результаты проверки гипотезы Жакоба и Моно были получены в США. Двое ученых, У. Джилберт и Б. Мюллер-Хилл, еще в 1966 году доказали существование репрессора лактозы, который удалось выделить из бактерий. Оператором была ДНК, репрессором — белок. Годом позже М. Пташне из Гарвардского университета открыл еще один репрессор, связанный с ДНК бактериофага к и блокирующий передачу генетического кода соответствующей РНК. А в 1968 году группа ученых из Рокфеллеровского университета показала, что у бактериофагов с ДНК, замененной на РНК, функцию репрессора может выполнять белковый «футляр» вируса. В 1970 году ученому миру стало известно, что Дж. Бекуитс из Гарвардского университета выделил из бактерий оперон лактозы. Фотографии, сделанные при помощи электронного микроскопа, должны были убедить всех сомневающихся в реальности полученных данных. Мало того, через некоторое время из другой лаборатории пришла новая волнующая весть: выделенный из бактерий оперон лактозы управляет синтезом и в искусственных условиях, если только присутствуют аминокислоты и весь «производственный аппарат» для синтеза белков.

Г. Р. Стент, профессор молекулярной биологии Калифорнийского университета, справедливо писал, что единственное теоретическое продолжение открытия Уотсона и Крика состояло в догадке Жакоба и Моно об информационной РНК и опероне. Правильность обоих предположений постепенно подтверждается.

13. Микробы изменяют свой облик

Хромосома, или ДНК, бактерии Escherichia coli содержит 2000 генов. Она несет в себе информацию о синтезе 2000 различных белков, каждый из которых имеет до 500 аминокислотных остатков.

Дж. Н. Дэвидсон, 1967

Трансформация и трансформационное начало

Вернемся еще раз к явлению трансформации, с которой мы уже познакомились в предыдущей главе. Мы видели, что колонии пневмококков подвержены диссоциации, которая проявляется в изменении их свойств. Клетки пневмококков формы S очень вирулентны (вызывают типичную форму воспаления легких). Они образуют слизистые капсулы, которые обычно прикрывают пары клеток. Эти капсулы состоят из сложного полисахарида. Напротив, пневмококки формы R, образовавшиеся в результате диссоциации формы S, не вирулентны, не образуют капсул и не располагаются парами. Эти различия проявляются во время опытов на животных (определение вирулентности), микроскопирования (по присутствию парнорасположенных клеток с капсулами) и культивирования на питательной среде — агаре (по форме и цвету колоний).

Пневмококки доставили ранее много беспокойств медикам, поскольку врачи еще не располагали пенициллином и другими современными средствами борьбы с воспалением легких. В 1928 году английский бактериолог Ф. Гриффит открыл явление трансформации у этих микроорганизмов. Гриффит испытывал влияние невирулентных R-пневмококков на подопытных мышей. Он привил им миллионы клеток типа R, и мыши погибли. Исследуя органы погибших мышей в поисках этих бактерий, ученый столкнулся с неожиданным фактом: вместо лишенных капсулы пневмококков типа R там были исключительно имевшие капсулы вирулентные пневмококки типа S.

Гриффит предположил, что часть клеток, погибая, выделяет какое-то вещество, которое заставляет оставшиеся в живых клетки R образовывать капсулы. Это предположение он решил проверить следующими опытами. В организм мыши вносилось небольшое количество R-клеток вместе с многочисленными, но умерщвленными высокой температурой S-клетками. Клетки S принадлежали к так называемому типу I. Позднее, как и ожидал Гриффит, из мышей были выделены живые S-клетки. Во втором опыте он использовал живые R-клетки типа I и умерщвленные S-клетки типа II. В этом случае он получил из мышей живые S-клетки типа II. Напрашивалось единственно возможное объяснение: нечто из умерщвленных S-клеток типа II превратило (трансформировало) их родственников — лишенные капсулы R-клетки типа I — в вирулентные S-клетки, способные образовывать капсулы типа II. Чем же было это «нечто», что вызвало трансформацию? Гриффит назвал его трансформирующим началом.

Схема трансформации пневмококков R-формы в S-форму при помощи ДНК, выделенной из клеток S и перенесенной к клеткам R

Это «нечто», обладающее способностью активного действия, привлекло внимание исследователей, и не удивительно, что К. Т. Эйвери со своими коллегами из Рокфеллеровского университета попытался вскрыть его сущность. В 1944 году ученые с достоверностью доказали, что трансформирующим началом была ДНК из S-клеток. Читателю, уже немало узнавшему о генетической роли ДНК, такой результат представляется довольно очевидным. Но те, кто впервые с ним столкнулся, были в менее выгодном положении.

Первой задачей исследователей было вырастить достаточное количество клеток вирулентных пневмококков, чтобы получить из них трансформирующее начало. После их умерщвления и разрушения при помощи дезоксихолата натрия (вещества, содержащегося в желчи) они получили около 1 мг чистой ДНК из 30 миллиардов клеток. Если воздействовать этим веществом на R-клетки, то в их потомстве 1 % клеток начинает образовывать капсулы, и это свойство наследственно передается из поколения в поколение. Трансформация, таким образом, вызывалась при помощи ДНК из вирулентных пневмококков. Это позволило исследователям сделать вывод, что ДНК является трансформирующим началом.