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

• Название: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
• Автор: Карл Циммер
• Жанр: Биология
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-91671-269-8, 978-0-30-27686-5

E. coli, или кишечная палочка, — микроорганизм, с которым мы сталкиваемся практически ежедневно, но который при этом является одним из важнейших инструментов биологической науки. С ним связаны многие крупнейшие события в истории биологии, от открытия ДНК до новейших достижений генной инженерии. E. coli — самое изученное живое существо на Земле.

Интересно, что E. coli — общественный микроб. Автор проводит удивительные и тревожные параллели между жизнью E. coli и нашей собственной жизнью. Он показывает, как этот микроорганизм меняется практически на глазах исследователей, раскрывая перед их изумленным взором миллиарды лет эволюции, закодированные в его геноме.

Издание подготовлено при поддержке Фонда Дмитрия Зимина «Династия»

Династия

Фонд некоммерческих программ «Династия» основан в 2001 г. Дмитрием Борисовичем Зиминым, почетным президентом компании «Вымпелком». Приоритетные направления деятельности Фонда — поддержка фундаментальной науки и образования в России, популяризация науки и просвещение. В рамках программы по популяризации науки Фондом запущено несколько проектов. В их числе — сайт elementy.ru, ставший одним из ведущих в русскоязычном Интернете тематических ресурсов, а также проект «Библиотека «Династии» — издание современных научно — популярных книг, тщательно отобранных экспертами — учеными. Книга, которую вы держите в руках, выпущена в рамках этого проекта.

---

И вот в темном зале кинотеатра Жакоба осенило. Репрессор, решил он, — это белок, который связывается с ДНК E. coli и блокирует считывание соответствующих генов (в данном случае генов бета — галактозидазы и других, отвечающих за расщепление лактозы). По определенному сигналу, как по щелчку выключателя, репрессор прекращает блокировать гены.

Возможно, подумал Жакоб, профаги тоже блокируются каким‑нибудь репрессором. Не исключено, что эта система универсальна и работает во всех живых организмах. «Я больше не чувствую себя посредственностью и даже смертным», — писал Жакоб.

Но попытка рассказать в общих чертах о новых идеях жене принесла одно только разочарование.

— Ты мне уже об этом рассказывал, — сказала Лиз. — Это же давно известно, разве не так?

Идея Жакоба была настолько проста и элегантна, что любому человеку, не связанному с биологией, казалась самоочевидной. Тем не менее она представляла новый подход к проблеме жизни. Гены работают не по одному, а блоками.

Следующие несколько недель Жакоб пытался обсудить свои новые идеи с коллегами — биологами, но особого интереса вызвать не сумел. Благодарный слушатель у него появился только осенью, когда в Париж вернулся Моно. Вдвоем они начали рисовать на доске блок — схемы генетического механизма, обозначать стрелками входы и выходы.

Осенью 1958 г. Моно и Жакоб запустили новую серию экспериментов для проверки гипотезы Жакоба. Эксперименты дали ожидаемый результат. Но для подробного изучения работы генов, отвечающих за утилизацию лактозы, потребовались годы труда множества ученых. Оказалось, что эти гены располагаются на хромосоме E. coli общим кластером, один за другим. Белок — репрессор связывается со специальным участком ДНК в начале группы генов и блокирует работу ферментов, считывающих их. Когда репрессор связан с этим участком, E. coli не может использовать лактозу в качестве источника питания.

Лучший способ удалить репрессор, блокирующий работу генов, отвечающих за расщепление лактозы, заключается в том, чтобы добавить ее в питательную среду, на которой растут колонии E. coli. Попав внутрь бактериальной клетки, молекулы лактозы взаимодействуют с закрепившимся на хромосоме белком — репрессором. Они изменяют его форму так, что он теряет сродство к соответствующему участку ДНК, открывая доступ ферментам РНК — полимеразам, считывающим гены, которые участвуют в метаболизме лактозы. В результате E. coli получает возможность синтезировать ферменты, необходимые для утилизации лактозы.

Но E. coli нужен второй сигнал, чтобы запустить производство бета — галактозидазы на полную мощность: бактерии необходимо знать, что запасы глюкозы исчерпались. Таким сигналом служит комплекс двух молекул — циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) и белка под названием САР. В бактериальной клетке происходит накопление цАМФ, когда сильно падает уровень глюкозы.

САР связывается с цАМФ, и получившийся комплекс прикрепляется к ДНК перед генами, отвечающими за метаболизм лактозы. Этот комплекс изгибает ДНК и тем самым облегчает связывание с ней фермента РНК — полимеразы, осуществляющей считывание генов, — в результате начинается синтез РНК на матрице ДНК. Стоит комплексу цАМФ — САР связаться с ДНК, как производство ферментов, участвующих в метаболизме лактозы, разворачивается полным ходом. Получается, что репрессор выключает, а комплекс цАМФ — САР включает этот процесс.

Жакоб с коллегами окрестили гены, отвечающие за расщепление лактозы, опероном lac. Оперон — это группа функционально связанных генов, которые регулируются одними и теми же факторами. Жакоб подозревал, что опероны олицетворяют общий принцип работы генов. Сотни генов E. coli объединены в опероны, каждым из которых управляют собственные переключатели. У некоторых оперонов переключателей несколько, и для запуска производства белков все они должны сработать. Иногда одного — единственного белка оказывается достаточно, чтобы запустить целый каскад реакций, включить гены, отвечающие за производство еще каких‑нибудь переключателей, и в конечном итоге позволить E. coli изготовить сотни новых типов белков.

Вообще, включатели и выключатели встречаются в природе повсеместно. Профаги спят внутри бактерии благодаря репрессорам, которые не позволяют их генам активироваться. При воздействии стрессовых факторов репрессоры освобождают ДНК, и профаги начинают производство новых вирусов. Опероны можно обнаружить и в других бактериях. В клетках животных, таких как мы с вами, опероны, судя по всему, встречаются гораздо реже. Но даже гены, расположенные в нашем геноме не по соседству друг с другом, иногда включаются в результате действия одного и того же регуляторного белка.

Только за счет включения и выключения генов наши клетки могут вести себя по — разному — ведь геном во всех клетках организма одинаковый. Этот механизм дает им возможность стать клетками печени или частью кости, обрести чувствительность к свету или теплу. Выяснив, как E. coli пьет молоко, Жакоб и его коллеги открыли путь к пониманию того, почему мы с вами люди, а не просто амебы.

Живые схемы

Для инженера схема — это совокупность проводов, резисторов и других электронных компонентов, организованных таким образом, чтобы получить из входного сигнала выходной. Счетчик Гейгера, зарегистрировав пролетающую через него радиоактивную частицу, производит щелчок. Нажатие на клавишу выключателя погружает комнату в темноту. Гены работают в соответствии с той же логикой. У генетической схемы тоже есть входы и выходы. Lac — оперон срабатывает лишь при получении на вход двух сигналов: сигнала о том, что у E. coli закончилась глюкоза, и сигнала о наличии лактозы. На выходе этой схемы — белки, необходимые E. coli для расщепления лактозы.

У E. coli нет проводов, которые ученые могли бы разомкнуть, чтобы посмотреть, как работают ее схемы. Вместо этого им приходится ставить эксперименты вроде тех, что проводили Моно и Жакоб. Экспериментаторы наблюдают, как быстро микроорганизмы откликаются на изменение окружающей среды, с какой скоростью они способны произвести тот или иной белок или, наоборот, избавиться от него. Они объединяют результаты множества экспериментов в модели и с их помощью предсказывают, как поведет себя E. coli в следующем эксперименте. Фундаментальные открытия, сделанные Моно, Жакобом и их коллегами на E. coli, позволили другим ученым разобраться в схемах разных видов, в том числе и нашего. Но в течение всех 50 лет, что прошли с того памятного вечера в кинотеатре, исследователи продолжали всерьез изучать E. coli. Им удалось обнаружить в генетическом аппарате бактерии интереснейшие структуры, а позже составить его карту — самую подробную из всех обитающих на Земле видов живых существ; попутно выяснилось, что генетические схемы во многом напоминают схемы электронные, которые сегодня можно обнаружить в цифровых камерах или спутниковых радиоприемниках.

Чтобы доказать, что это не пустое сравнение, я хочу разобрать работу всего лишь одной из множества схем E. coli. Эта схема управляет биосинтезом и сборкой жгутиков. Ученые потратили немало лет на то, чтобы выяснить, какие гены в нее входят. А в 2005 г. Ури Алон и его коллеги из Института Вейцмана определили наконец, что эта схема делает. Она работает как противопомеховый фильтр.

Инженеры используют подобные фильтры для блокирования атмосферных помех в телефонных линиях, борьбы с размыванием изображений и другими внешними воздействиями, затрудняющими прием сигнала. В случае E. coli в роли помех выступает лишняя, несущественная информация об окружающей среде, а противопомеховый фильтр позволяет бактерии обращать внимание только на те факторы, которые имеют принципиальное значение. Для E. coli при сборке жгутика крайне важно отсекать помехи, потому что его сооружение во многом напоминает строительство собора.

Бактерия должна включить около 50 генов, синтезирующих десятки тысяч белков, причем белки эти синтезируются и действуют в строго согласованном порядке. Сначала мотор встраивается в клеточную оболочку. Затем стержень с центральным каналом, работающий наподобие шприца, пройдя сквозь центр мотора, выталкивает наружу тысячи белковых молекул. Белки проходят через полую трубочку и появляются с другой стороны, наращивая жгутик. Весь процесс занимает один — два часа, что для E. coli может означать несколько поколений. При делении клетки новая бактерия наследует частично выстроенный жгутик и передает его, по — прежнему в незавершенном виде, своим потомкам.

К моменту окончания синтеза жгутиков проблема, заставившая микроорганизм отращивать их, может разрешиться сама собой. Вся затраченная на эту работу энергия пропадает впустую. Поэтому E. coli внимательно следит за тем, что происходит вокруг, и как только дела начинают идти на лад, останавливает сборку жгутика. Единственная причина, из‑за которой эта стратегия способна привести к неудаче, заключается в том, что наступление лучших времен может обернуться мимолетным миражом. Если E. coli прекратит сборку жгутика при первом проблеске надежды — скажем, случайно проплывающей мимо молекулы кислорода, — она может застрять там, где ее жизни грозит опасность. Такие сигналы играют для E. coli роль помех, которые она должна отсекать.