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.

---

Затем Херши и Чейз провели обратный эксперимент, в котором радиоактивные метки вводились не в ДНК, а в белок вируса. В этом случае после инфицирования E. coli радиоактивность сохраняли только пустые оболочки. Так через десять лет после эксперимента Эйвери Херши и Чейз подтвердили его вывод: гены состоят из ДНК.

Среди тех, кого больше других заинтересовали новые результаты, был молодой американский биолог Джеймс Уотсон. Его приняли в лоно «Церкви фагов» в возрасте всего лишь 20 лет, и при подготовке диссертации он, как и его коллеги, с энтузиазмом облучал вирусы E. coli рентгеновским излучением. Он прекрасно усвоил общепринятое мнение о том, что гены сделаны из белков, но собственные исследования заставили молодого ученого обратить внимание на ДНК. В эксперименте Херши и Чейз Уотсон увидел «новое убедительное доказательство того, что первичным генетическим материалом является ДНК».

Однако, чтобы понять, как ДНК может служить генетическим материалом, необходимо было как следует разобраться в структуре этого вещества. К этому времени Уотсон уже работал в Кембриджском университете, где быстро объединил усилия с Фрэнсисом Криком — британским физиком, тоже мечтавшим раскрыть тайну жизни. Вместе они тщательно изучили все данные о ДНК, собранные к тому времени учеными, и попытались разобраться, как располагаются по отношению друг к другу фосфаты, сахара и азотистые основания. В феврале 1953 г. они внезапно поняли структуру этой молекулы. Молодые люди собрали из стальных пластинок и стержней гигантскую модель, похожую на скрученную в спираль лесенку из сахаров и фосфатов, перекладинами которой служили азотистые основания.

Модель была красива, проста и красноречива. Она, казалось, сама готова была рассказать, как работают гены. Обе нити ДНК построены из миллиардов звеньев — нуклеотидов, расположенных линейно, как буквы в строке текста. Каждый нуклеотид состоит из фосфата и сахара дезоксирибозы, к которому крепится одно из азотистых оснований. Четырем типам азотистых оснований соответствует четыре типа нуклеотидов. Сам текст может иметь бесконечное число значений в зависимости от порядка расположения нуклеотидов. Благодаря этому ДНК может вместить информацию, необходимую для строительства любого белка любого биологического вида.

Структура ДНК помогла Уотсону и Крику понять, каким образом она может репродуцироваться. Они предположили, что нити ДНК расходятся, после чего к каждой из них добавляется новая нить — этот процесс получил название «репликация». Синтез новой ДНК упрощает тот факт, что азотистые основания способны соединяться между собой лишь вполне определенным образом: у каждого типа оснований есть один — единственный возможный партнер. В результате получается идеальная копия первоначальной молекулы.

Теория получилась красивая, а вот серьезных доказательств не хватало. Макса Дельбрюка, в частности, беспокоила «проблема распутывания». Реально ли разделить двойную спираль на две отдельные нити и достроить каждую из них до полноценной молекулы ДНК, не получив взамен спутанный клубок непонятно чего? Дельбрюк попытался найти ответ на этот вопрос, но потерпел неудачу. Успех пришел в 1957 г. к другим — к магистранту Мэтью Мезельсону и научному сотруднику доктору Фрэнку Сталю из Калифорнийского технологического института. С помощью E. coli они поставили эксперимент, который получил известность как самый красивый в биологии.

Мезельсон и Сталь поняли, что репликацию ДНК можно отследить, если выращивать E. coli на особой диете. E. coli для роста и размножения обязательно нужен азот, поскольку этот элемент входит в состав любого нуклеотида. Обычный атом азота содержит 14 протонов и 14 нейтронов, но существуют и другие, более легкие или более тяжелые изотопы азота, в которых нейтронов меньше или больше. Мезельсон и Сталь добавляли в питательную среду E. coli аммиак, содержащий тяжелый азот с 15 нейтронами в каждом атоме. Через некоторое время, когда у бактерии сменилось множество поколений, они извлекли и поместили в центрифугу немного ДНК. Измерив расстояние до точки, куда переместилась ДНК при вращении центрифуги, они вычислили ее массу и выяснили, что ДНК Е, coli, выращенной на тяжелом азоте, как и ожидалось, тяжелее ДНК нормальной E. coli.

Затем Мезельсон и Сталь провели тот же эксперимент чуть иначе. Они отделили немного E. coli с тяжелым азотом в колбу, где бактерии могли питаться нормальным азотом с 14 нейтронами в атоме. Дав бактерии совсем немного времени — всего на один цикл деления, — ученые извлекли ее ДНК и вновь поместили в центрифугу. Их целью была проверка теории Уотсона и Крика, которая давала на этот случай вполне четкие предсказания. Согласно этой теории при делении микроорганизмов внутри каждого из них тяжелые нити ДНК должны были разделиться и разойтись, а новые нити достраивались бы к ним уже из легких атомов. Таким образом, ДНК в новом поколении E. coli должна была получиться наполовину легкой, наполовину тяжелой — и образовать при центрифугировании полосу ровно посередине между тяжелой и легкой ДНК. Так и получилось.

Может быть, Уотсон и Крик построили красивую модель. Но для того, чтобы другие ученые признали их теорию верной и приняли модель на вооружение, потребовался красивый эксперимент на E. coli.

Универсальный код

Когда выяснилось, что у E. coli все же есть половой процесс, ученые впервые получили возможность ближе познакомиться с устройством хромосомы. Оказалось, что половой акт у E. coli протекает довольно своеобразно. Одна из бактерий выбрасывает нитевидный вырост, который называют половым пилем, и с его помощью подтягивает к себе партнера. В течение примерно полутора часов ее ДНК перетекает во второй микроорганизм. Эли Вольман и Франсуа Жакоб из Института Пастера поняли, что эту связь можно разорвать. Они смешивали мутантные штаммы и позволяли им какое‑то время конъюгировать, а затем помещали смесь в блендер. В зависимости от времени, которое было у бактерий для конъюгации, реципиент мог получить — а мог и не получить — ген, необходимый для выживания. Вольман и Жакоб измеряли, через какой промежуток времени гены проникают во вторую особь E. coli, и составляли таким образом генетическую карту. Выяснилось, что гены E. coli расположены на хромосоме, замкнутой в кольцо.

Ученые обнаружили, что наряду с главной хромосомой у E. coli есть дополнительные кольцевые ДНК, получившие название плазмид. Плазмиды несут гены и некоторые из этих генов используют для собственного воспроизводства. А есть плазмиды, которые несут гены, позволяющие им перемещаться из одного микроорганизма в другой. Например, у E. coli штамма К-12 в плазмидах содержатся гены, в которых закодированы половые пили. Сойдясь, бактерии обмениваются копиями плазмидной ДНК, а также частью главной хромосомы.

Пока одни ученые составляли генетическую карту E. coli, другие пытались понять, как именно закодированная в генах информация превращается в белки. В вашингтонском Институте Карнеги исследователи давали E. coli аминокислоты, меченные радиоактивными изотопами, — строительный материал для белков. Через некоторое время эти аминокислоты скапливались вокруг особых округлых образований — так называемых рибосом, случайным образом разбросанных внутри бактерии. Свободные аминокислоты входили в рибосому, а выходили из нее готовые белки. Но это означало, что каким‑то образом инструкции, зашифрованные в ДНК E. coli, должны «сообщать» рибосомам, какие именно белки следует делать.

Оказалось, что у E. coli есть для этого особые молекулы. На первом этапе синтеза белка некий фермент[4] должен прикрепиться к гену и проползти по всей его длине. При этом он выстраивает однонитчатую РНК — копию гена. Эта РНК, которую называют матричной, или информационной (мРНК), затем отправляется к рибосоме и доставляет свое генетическое послание.

Однако оставалось неясным, каким образом рибосома читает это послание. РНК, как и ДНК, содержит четыре типа нуклеотидов. Белки же, как известно, представляют собой комбинации 20 аминокислот. Ясно, что без «словаря» E. coli никак не смогла бы перевести инструкцию, записанную на языке генов, на язык белков.

В 1957 г. Фрэнсис Крик выдвинул гипотезу о том, что может представлять собой подобный «словарь». Он предположил, что каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов, получившей название кодона. Гипотеза Крика требовала экспериментальной проверки, и вскоре ученые из Национального института здоровья США Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи начали соответствующие опыты. Они тщательно растерли E. coli пестиком в ступке и разлили получившуюся массу по пробиркам. В каждую пробирку они добавили одну из аминокислот, а затем — синтезированную ими РНК, состоящую из нуклеотидов одного типа, с азотистым основанием урацилом (обнаруженным в РНК, но отсутствующим в ДНК)[5]. Таким образом, эта РНК содержала единственный повторяющийся много раз кодон. Ученые хотели посмотреть, опознает ли этот кодон одну из аминокислот.