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.

---

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.

Чтобы объяснить, как E. coli отфильтровывает из сигнала помехи, я нарисую блок — схему соответствующей системы. Стрелка со знаком «плюс» означает, что данный сигнал или ген стимулирует активность другого гена.

Знак «минус» означает, что ген подавлен. Первая стрелка на этой схеме ведет из внешнего мира внутрь клетки E. coli. Почувствовав, что условия окружающей среды стали неблагоприятными, бактерия в некоторых случаях производит в ответ белки FlhD и FlhC, которые формируют тетрамерный комплекс, состоящий из двух молекул FlhD и двух молекул FlhC.

Этот комплекс — один из главных переключателей E. coli. Он способен закрепляться в разных местах бактериальной хромосомы и включать разные гены, которые отвечают за производство многих белков, необходимых для синтеза жгутика.

Именно здесь кроется основной недостаток механизма, отвечающего за синтез жгутика. В ответ на стрессовое воздействие этот механизм может включить соответствующие гены, но ему же придется их выключать, когда кризис завершится. Без воздействия стрессового фактора бактерия прекращает производить новые молекулы FlhD/FlhC. Старые молекулы постепенно исчезают, и контролируемые FlhD/FlhC гены теряют способность производить свои белки. В результате сложный процесс синтеза жгутика начинает давать сбои и вообще прекращается при малейшем, хотя и недолгом, улучшении ситуации. Когда же условия вновь ухудшатся, бактерии придется паскочегапивать свою жгутикостпоительную машину практически с нуля. Понятно, что в критических обстоятельствах любая задержка может оказаться фатальной.

На самом деле E. coli не страдает и не гибнет от ложных сигналов тревоги, потому что в ее генетическом аппарате имеются дополнительные системы регуляции. При включении генов, отвечающих за синтез жгутика, комплекс FlhD/FlhC запускает резервный ген fliA.

Кодируемый им белок FliA тоже может включать гены, отвечающие за синтез жгутика.

Но fliA, помимо всего прочего, находится под контролем еще одного белка, получившего название FlgM. Этот белок захватывает молекулы белка FliA сразу же, как только E. coli их синтезирует, и не позволяет им включать гены синтеза жгутика. Вот как выглядит схема с участием FlgM:

Однако FlgM не способен долго подавлять работу fliA, потому что E. coli выбрасывает его наружу через ту же шприцеподобную структуру, через которую подается строительный материал для жгутика. По мере того как число молекул FlgM снижается, высвобождается все больше молекул белка FliA, которые начинают включать гены синтеза жгутика один за другим.

Вот, наконец, полная схема противопомехового фильтра E. coli, составленная Алоном и его коллегами:

Этот элегантный генетический механизм делает E. coli царицей в лучшем из миров. В начале процесса синтеза жгутика бактерия сохраняет высочайшую чувствительность к любым признакам улучшения ситуации, потому что за работу соответствующих генов в этот момент отвечает только FlhD/FlhC. Но когда «шприц» построен и E. coli начинает выкачивать FlgM наружу, в дело вступает противопомеховый фильтр. Если теперь стрессовые факторы ослабевают, снижается и уровень FlhD/FlhC. Но к этому моменту E. coli уже успевает выработать достаточное количество свободных молекул белка FliA, чтобы удерживать гены синтеза жгутика в рабочем состоянии более часа. Затем, если улучшение ситуации окажется временным, E. coli возобновит производство FlhD/FlhC, и синтез жгутика продолжится без сбоев.

E. coli способна отфильтровывать помехи и шум, но она отнюдь не глуха. Если обстановка значительно улучшится, бактерия прекратит синтез жгутика. Дело в том, что запаса FliA надолго не хватит. Молекулы белка одна за другой получают повреждения, и молекулярные мусорщики E. coli их уничтожают. Если стрессовое воздействие не возобновится в течение определенного времени, запасы белка FliA закончится и схема перестанет действовать. Видно, и правда вернулись сытые времена, и пора отказаться от строительства бесполезного жгутика.

Сейчас ученые пытаются разобраться в генетических схемах других биологических видов так же тщательно, как Алон и его коллеги разобрались в схемах E. coli. Но этот процесс займет немало времени. Знаний ученых о том, как работают в этих схемах гены и белки, пока недостаточно, чтобы строить хорошие, достоверные модели. Во многих случаях нам известно лишь, что ген А включает гены В и С; мы не представляем, что заставляет его «щелкать выключателем» и что происходит после этого.

Но Алон сумел извлечь замечательный урок даже из такого крохотного объема информации. Вместе с коллегами он тщательно исследовал гены E. coli и нескольких других хорошо изученных видов — дрожжей, уксусных нематод, плодовых мушек, мышей и человека. Соединение отдельных блоков этих схем стрелками происходит в соответствии с неким шаблоном намного чаще, чем можно было бы ожидать при их случайном формировании. Противопомеховый фильтр E. coli, к примеру, принадлежит к классу схем, которые инженеры называют схемами регулирования с прямой связью или схемами непосредственного регулирования. (Цепочка связей в противопомеховом фильтре идет от FlhDC к FliA и далее к генам синтеза жгутика.) Как показали Алон и его коллеги, схемы непосредственного или прямого регулирования необычайно популярны в живых системах. Кроме того, природа демонстрирует склонность к использованию еще нескольких типов схем, которые, судя по всему, также дают жизни возможность извлекать выгоду из таких инженерных решений, как противопомеховые фильтры. E. coli и слон, похоже, не просто построены на базе одного и того же генетического кода. Вдобавок, они скомпонованы с использованием одних и тех же стандартных схемотехнических приемов.

Жизнь на автопилоте

На землю опустились оранжевые зимние сумерки. За окном виднеется паутина голых кленовых ветвей. Поток фотонов струится через окно и попадает на фоторецепторы, выстилающие сетчатку моих глаз. Фоторецепторы вырабатывают электрические сигналы, которыми они сначала обмениваются между собой, а затем посылают по волокнам оптических нервов в затылочную часть мозга. Сигналы проходят сквозь мозг по сети из миллиардов нейронов, связанных между собой триллионами отростков. В мозгу формируется изображение. Я встаю из‑за стола, чтобы включить свет. В первый момент заоконный мир погружается для меня в темноту, но через мгновение мои глаза приспосабливаются к новым условиям. Я снова вижу раскачивающиеся деревья с голыми сучьями.

Мне приходится напоминать себе, насколько это замечательно — то, что я по — прежнему их вижу. Мгновением раньше мое зрение было тончайшим образом настроено на восприятие мира в сумерках. Если бы после включения света в настройках моего зрения ничего не изменилось, я бы практически ослеп. К счастью, мои глаза и мозг умеют настраиваться и на полуденное солнце, и на слабый свет молодого месяца. Если свет усиливается, моя нервная система быстро сужает зрачки, чтобы в глаз проникало меньше света. Когда свет пропадает, мои зрачки расширяются, а нейроны сетчатки усиливают контраст между светлым и темным в поле моего зрения. Инженер назвал бы человеческое зрение робастным — устойчивым к изменению внешних условий. Иными словами, оно надежно работает в нашем нестабильном мире.

Человеческое тело устойчиво во многих отношениях. Человеческий мозг нуждается в постоянной подпитке глюкозой, но мы не теряем сознания, если случайно пропустим обед. Чтобы сохранить нужную концентрацию сахара, тело прибегает к резервным запасам глюкозы. Из небольшого скопления клеток, непрерывно обменивающихся целыми водопадами сигналов, координирующих деление, развивается зародыш. На эти сигналы воздействуют разнообразные помехи, но все же из большинства зародышей получаются совершенно здоровые младенцы.