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.

---

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.

Смертельно опасны многие штаммы E. coli, но одному из них в последние годы было посвящено больше новостных заголовков, чем всем остальным вместе взятым. Этот штамм именуют 0157: Н7 (обозначение относится к молекулам на поверхности бактериальной клетки). E. coli 0157: Н7 — тот самый штамм, который делает зоопарки, где можно гладить животных, зоной повышенной опасности, который может превратить шпинат или гамбургер в отраву и вызвать отказ какого‑то органа со смертельным исходом. Несмотря на развернувшуюся вокруг него шумиху, штамм этот сравнительно плохо известен науке и нов для нее.

В феврале и марте 1982 г. у 25 человек в Медфорде (штат Орегон) появились судороги и кровавый понос. Врачи обнаружили у некоторых пациентов совершенно неизвестный штамм E. coli. Три месяца спустя тот же штамм вызвал новую вспышку заболевания — на этот раз в Траверс — Сити (штат Мичиган). Источником инфекции оказались не прошедшие достаточную тепловую обработку гамбургеры, которые все жертвы ели в McDonalds. Выявилась закономерность, и теперь ученые начали искать E. coli 0157: Н7 в бактериальных образцах, взятых у пациентов в прошлые годы. Из 3000 штаммов E. coli, обнаруженных у американских пациентов за несколько предыдущих лет, один действительно оказался 0157: Н7. Он был взят у женщины в Калифорнии в 1975 г. Поиски в Великобритании и Канаде выявили еще семь случаев, но все они были зарегистрированы после 1975 г.

После этого штамм 0157: Н7 опять был забыт и канул в безвестность еще на десять лет. Он вновь проявил себя в середине 1990–х гг. целой серией вспышек, прокатившихся по миру. От одной вспышки в штате Вашингтон в 1993 г., причиной которой опять стали недостаточно тщательно приготовленные гамбургеры, пострадали 732 человека. Четверо из них умерли. Ученые выяснили, что 0157: Н7 может жить в кишечнике коров, овец и других сельскохозяйственных животных, не причиняя им никакого вреда. По оценкам ученых, около 28 % коров в США являются носителями штамма 0157: Н7. Причиной попадания бактерии из организма животного в организм человека может стать неправильный убой. Если при убое будет нарушена целостность прямой кишки коровы, бактерия может попасть в мясо. При современных технологиях производства мясо множества коров нередко смешивается, и E. coli 0157: Н7 от одного животного может распространиться на несколько тонн говядины или говяжьего фарша. Большая часть этих бактерий гибнет при кулинарной обработке, но в одной — единственной крошке сырого мяса может уцелеть достаточно E. coli 0157: Н7, чтобы вызвать опасную вспышку инфекции.

Вегетарианцы тоже не застрахованы от такой инфекции. Коровы выделяют E. coli 0157: Н7 с пометом, а в почве эта бактерия способна жить месяцами. На фермах он может распространиться с помета на растения и попасть в урожай; вероятно, его переносят слизни и дождевые черви, а также вода при поливе. В 1997 г. из‑за редьки, зараженной E. coli 0157: Н7, в Японии заболели 12 000 человек, трое из них умерли. Сегодня бизнес по выращиванию овощей почти столь же механизирован и обезличен, как мясной бизнес, и на всей территории США овощную продукцию в магазины поставляют лишь несколько крупных компаний. Такой порядок вещей расширяет радиус действия E. coli 0157: Н7 и увеличивает губительные возможности этой бактерии. В сентябре 2006 г. зараженный шпинат с одной — единственной фермы поразил людей в самых разных местах; всего заболело 205 человек в 26 штатах. Три месяца спустя из‑за салата, поставленного в рестораны сети Тасо Bell в пяти штатах, заболел 71 человек.

Попадая в рот будущей жертвы, E. coli 0157: Н7 вроде бы ничем особенно не отличается от других, безвредных штаммов E. coli. Бактерии начинают показывать характер только после того, как совершат путешествие через желудок и доберутся до толстого кишечника. Оказывается, представители E. coli 0157: Н7 обладают необычайной способностью прислушиваться к своему хозяину. Клетки человеческого кишечника вырабатывают гормоны, а у бактерии имеются рецепторы, способные эти гормоны улавливать. Эти гормоны сообщают E. coli, что пора готовиться к тому, чтобы вызывать у хозяина болезнь. Получив сигнал, бактерии отращивают жгутики и начинают плавать, проверяя все встречные молекулы в поисках сигналов, выпущенных их товарками, такими же бактериями E. coli 0157: Н7. Следуя сигналам, они собираются вместе, а образовав достаточно крупную армию, начинают вооружаться.

Самое мощное оружие E. coli 0157: Н7 — «шприц», которым бактерия протыкает клетку кишечника и вводит в нее настоящий коктейль из разных молекул. Эти молекулы по сути перепрограммируют клетку. Плотно прикрепившись к ней, бактерия активирует преобразование цитоскелета клетки. Его волокна, придающие клетке форму, начинают перемещаться относительно друг друга. На верхушке клетки формируется «пьедестал» — впадина, похожая на чашу, — удобное убежище для E. coli 0157: Н7. Клетка теряет цельность и начинает протекать, а бактерия питается проплывающими мимо обломками. В тот момент, когда у больного вместе с поносом начинается кровотечение, бактерия, пользуясь моментом, захватывает атомы железа из крови с помощью сидерофоров.

Приблизительно через трое суток после попадания в организм E. coli 0157: Н7 у человека начинает ухудшаться самочувствие. Развивается сильный понос, который переходит в кровавый. Появляются резкие и очень болезненные судороги. Большинство людей, пораженных E. coli 0157: Н7, через несколько дней поправляется. Но одного- двух из каждых 20 заболевших впереди ждет нечто значительно худшее.

В организме этих людей E. coli 0157: Н7 начинает вырабатывать токсин нового типа. Этот токсин проникает в клетки и нападает на рибосомы — фабрики по производству белков. Клетки погибают и распадаются. Токсин попадает из кишечника в соседние кровеносные сосуды и разносится кровью по всему организму. Он вызывает образование тромбов в сосудах и инсульты. Блокирует кровоснабжение целых органов, в первую очередь почек. Для некоторых действие этого токсина оказывается смертельным. Тем, кому повезет выжить, на полное выздоровление может потребоваться не один год. Некоторым придется всю оставшуюся жизнь регулярно подключаться к аппарату искусственной почки и делать диализ крови. У детей эта бактерия может вызывать повреждение головного мозга, и им заново приходится учиться читать.

О бактерии E. coli 0157: Н7 часто пишут и говорят, что вполне понятно — ведь этот штамм способен привести к возникновению внезапных эпидемий в промышленно развитых странах. Но если разобраться, это всего лишь один из множества опасных штаммов E. coli, которая может вызывать у человека самые разные заболевания. Шигелла, например, не скрывается в удобном убежище, как E. coli 0157: Н7. Она странствует. Добравшись до кишечника, она выделяет химическое вещество, которое ослабляет связи между клетками, образующими стенку кишечника, а затем проскальзывает в одну из образовавшихся щелей. Нарушение целостности стенки кишечника привлекает внимание находящихся поблизости иммунных клеток, которые протискиваются в щель вслед за бактерией. Шигелла, однако, не прячется и никак не маскирует свое присутствие. Напротив, она специально выпускает наружу молекулы, провоцирующие мощную атаку.

Иммунные клетки догоняют шигеллу и пожирают ее, но гибнет при этом не добыча, а охотник. Оказавшись внутри иммунной клетки, шигелла выпускает химическое вещество, которое заставляет захватившую ее клетку покончить с собой и взорваться. Гибель иммунной клетки привлекает внимание ее живых товарок, но и они не в состоянии остановить злодейку — шигеллу. Более того, они облегчают новым бактериям шигеллы путь сквозь стенку кишечника, так как тоже протискиваются сквозь нее, расширяя щели.

Отбившись от атак иммунной системы, шигелла выбирает себе удобную цель — клетку в стенке кишечника. Она сооружает себе «шприц», очень напоминающий этот же инструмент у E. coli 0157: Н7, и протыкает оболочку клетки. Молекулы, которые она впрыскивает, вместо того чтобы вызвать образование чаши на верхушке клетки, помогают сформировать проход, по которому шигелла может проскользнуть внутрь. Оказавшись внутри клетки, бактерия берет под контроль ее «скелет». Она продвигается вперед, заставив одно из волокон расти с заднего конца; другие волокна, попадающиеся ей на пути, она просто разрезает. Закончив пир в одной клетке, шигелла протискивается сквозь мембрану и начинает работу над ее соседкой. Умирающая клетка призывает к месту заражения дополнительную армию иммунных клеток, но они лишь открывают в стенке кишечника новые проходы, которыми может воспользоваться шигелла.