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.

---

Вероятно, для большинства E. coli покинуть хозяина — значит найти быстрый путь к смерти. Но жизнь способна играть даже с очень слабыми шансами на победу. Дуб буквально усеивает землю под собой желудями, из которых редко кому удается выжить и прорасти. Человеческое тело состоит из триллионов клеток, из которых лишь несколько переживет смерть организма и даст начало потомкам. Если хотя бы крохотная часть E. coli в дикой природе выживет и сумеет отыскать себе нового хозяина, ее жизненный цикл продолжится. К тому же у E. coli есть несколько уловок, способных серьезно повысить шансы на выживание. Ее обмен веществ настолько гибок, что она способна извлекать углерод из самых разных источников, даже из тротила. Если ее пытается съесть какой‑нибудь хищник, обитающий в почве, бактерия может избежать переваривания и вместо этого благоденствовать, превратившись в паразита. При чрезвычайно неблагоприятных обстоятельствах E. coli может сложить свою ДНК в очень компактную структуру, перейти в стационарную фазу и существовать в таком виде многие годы.

Иногда E. coli удается полностью отказаться от хозяина. Время от времени ученые обнаруживают в разных местах планеты популяции E. coli, процветающие в роли полноценных природных микроорганизмов. В Австралии, к примеру, исследователи обнаружили цветущие популяции E. coli в озерах, где никто не ожидал встретить ничего подобного. В эти озера не поступает фекальных масс, туда не сливают ни канализацию, ни отходы с ферм. Тем не менее в любой теплый день эти озера насыщены миллионами миллиардов E. coli. Эти бактерии несколько отличаются от более знакомых и привычных штаммов E. coli. В частности, они образуют необычайно прочную капсулу которая играет для микроба роль гидрокостюма и позволяет ему круглый год жить в озере. Этим бактериям, чтобы выжить, уже не нужен хозяин. Они освободились.

День на ярмарке

В центральной части штата Коннектикут, где я живу, сельскохозяйственные ярмарки — дело чрезвычайно серьезное. Каждое лето небольшие городки штата — Гошен, Дарем, Хаддам Нек — один за другим строят на большой площади торговые палатки и воздвигают чертово колесо. Дребезжа на неровных местных дорогах, подъезжают трейлеры с быками, готовыми таскать за собой бетонные блоки. Мэры и члены городского управления собираются, чтобы посоревноваться в искусстве доения коров. Эти ярмарки намного пережили расцвет породивших их сельскохозяйственных сообществ. Тем не менее тысячи людей приходят туда, чтобы увидеть гордо вышагивающих петухов, призовых коз и пироги — настоящие произведения искусства.

Каждое лето я с женой и двумя дочерьми бываю на нескольких таких ярмарках и каждый раз, оказавшись там, теряю всякое ощущение времени. Я чувствую себя так, будто вернулся в прошлое, в то время, когда практически любой десятилетний ребенок знал, как стригут овец. Но в тот момент, когда я, находясь в загоне со скотом, почти совсем уже теряю связь с настоящим, я вдруг замечаю у входа в загон деревянный столб с умывальником и мыльницей. Вид этого столба мгновенно возвращает меня в XXI век, и, когда мы покидаем загон, я забочусь о том, чтобы девочки тщательно вымыли руки с мылом.

Подобные загоны — родной дом для некоторых особенно злобных бактерий. Они обитают в организме животных, завоевывающих на ярмарках ленты и призы, падают с пометом в соломенную подстилку, уплывают по воздуху на пылинках, удобно устраиваются на щетинках мух. Они наполняют загоны, прилипают к полу и ограде, шерсти и перьям. Чтобы серьезно заболеть, достаточно крохотной дозы — скажем, попадания в рот десятка — другого особей. У человека начинается кишечное кровотечение, отказывают почки. Антибиотики только ухудшают положение, и все, что могут сделать врачи, — это организовать внутривенное введение пациенту физиологического раствора и надеяться на лучшее. Большинство людей со временем поправляется, но некоторые продолжают болеть всю оставшуюся жизнь, а порой и умирают.

Проверяя бактерии, ставшие причиной гибели человека, патологоанатомы обнаруживают старого знакомого — E. coli.

E. coli представлена многочисленными штаммами. Одинаковые по своим основным видовым биологическим особенностям, эти штаммы разительно отличаются друг от друга по образу жизни. В большинстве своем штаммы E. coli безвредны, но в природе, за стенами лабораторий, E. coli иногда становится патогенной и может не только вызвать недуг, но и убить. Чтобы как следует познакомиться с E. coli и понять, что для нее означает жизнь, недостаточно изучить один какой‑нибудь «прирученный» штамм вроде К-12. Смертельно опасные штаммы — точно такие же представители этого биологического вида.

Несколько десятилетий после открытия этой бактерии Теодором Эшерихом ученые не осознавали, насколько опасной может быть E. coli. Первое достоверное свидетельство того, что не все штаммы E. coli ведут себя как пассивные наблюдатели, было получено в 1945 г. Британский патологоанатом Джон Брей тогда занимался поисками причины так называемой «летней диареи» — смертельно опасной детской инфекции, эпидемия которой ежегодно прокатывалась по Британии и другим промышленным странам. Брей охотился за бактерией, которая присутствовала бы у всех больных детей, но отсутствовала у здоровых.

Лучший метод, которым располагал в то время Брей, состоял в получении антител к разным патогенным микроорганизмам. Антитела производятся клетками нашей иммунной системы при встрече с чужеродным белком. Впоследствии антитела атакуют возбудителя заболевания, распознав эти белки. Благодаря тому, что антитела обладают высокой специфичностью к своим мишеням, они будут игнорировать все другие белки, с которыми сталкиваются. Вводя соответствующие бактерии кроликам, Брей создавал антитела к некоторым известным болезнетворным микроорганизмам, таким как сальмонелла. Когда иммунная система кролика отражала атаку, Брей выделял из крови животных антитела. Затем он добавлял эти антитела к образцам, полученным из выделений больных детей. Он хотел посмотреть, не обнаружат ли они каких‑нибудь болезнетворных микроорганизмов. Но антитела не узнавали противника.

Пока Брей размышлял о том, антитела к каким микроорганизмам опробовать следующими, один педиатр в разговоре с ним случайно упомянул, что от многих детей, страдающих летней диареей, исходит странный запах, напоминающий запах спермы. Брей знал, что некоторые штаммы E. coli испускают примерно такой запах. Поэтому он получил антитела к E. coli и добавил их в свои культуры. Антитела немедленно нашли свои мишени. Брей обнаружил, что среди больных детей тест на эти антитела был положительным у 95 %, а среди здоровых — лишь у 4 %.

Тогда Брею удалось распознать лишь один болезнетворный штамм E. coli, но позже ученые выделили их немало. Некоторые из этих штаммов были давно известны медикам, но под другими названиями. Так, в 1898 г. японский бактериолог Киёси Сига (Шига) выяснил причину одной из форм кровавого поноса — бактериальной дизентерии. Ею оказалась бактерия, палочкообразное строение которой вполне соответствовало строению E. coli, но Сига назвал ее иначе. В конце концов, палочковидных бактерий много. А микроорганизм, обнаруженный японцем, выделял убивавший клетки токсин; никто никогда не видел, чтобы E. coli выделяла что‑нибудь подобное. Кроме того, было известно, что E. coli способна расщеплять молочный сахар — лактозу. Бактерия Сиги этого не умела. Эти и другие отличия позволили Сиге объявить свой микроорганизм отдельным видом, который позже ученые назвали в его честь — Shigella (шигелла). И только в 1990–е гг., когда ученые получили возможность прочесть геном шигеллы целиком, буква за буквой, стало наконец ясно, что это всего лишь штамм — и даже несколько штаммов — E. coli.

Шли годы. Ученые находили все новые штаммы E. coli, способные вызвать широкий спектр различных заболеваний. Обнаружились штаммы, поражающие толстый кишечник, и штаммы, поражающие тонкий кишечник. Одни из них жили в кишечнике, не причиняя хозяину никаких неудобств, но, попадая в мочевой пузырь, могли вызвать тяжелую инфекцию, которая иногда распространялась и на почки. Другие штаммы приводили к заражению крови с летальным исходом, третьи проникали в мозг и вызывали менингит. Масштаб ущерба от них трудно оценить. Одна только шигелла каждый год поражает 165 млн человек, убивая из них 1,1 млн. Умирают в основном дети. Можно только гадать, что подумал бы Теодор Эшерих, если бы вдруг узнал, что его юных пациентов убивает не какая‑то таинственная бактерия, а его безобидная Bacterium coli communis.