Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Да здравствуют различия

Да здравствуют различия

У каждого из нас свои вкусы. Я, к примеру, не понимаю, почему некоторые любят улиток. Я не могу точно сказать, почему они мне не нравятся, но вполне могу выдвинуть несколько предположений. Может быть, у меня на языке есть особые клетки, в которых от вкуса улитки возникает спазм ужаса. А может, какая?то нейронная сеть в моем мозгу связывает вкус улиток с каким?то давним, но очень неприятным воспоминанием. Или, может быть, у меня просто не было возможности полюбить улиток, потому что я вырос на пицце, гамбургерах и арахисовом масле. Ясно одно: этот гастрономический путь для меня закрыт.

Я не знаю наверняка, справедливо ли хоть одно из этих предположений. Я не могу совершить путешествие во времени, переиграть свою жизнь с момента зачатия и посмотреть, как бы обернулось дело, если бы на завтрак в детском саду нас кормили съедобными улитками. Я не могу клонировать себя в сотне экземпляров и расселить своих искусственных близнецов по приемным семьям во Франции. Я просто ненавижу улиток.

Моя нелюбовь к улиткам — всего лишь небольшая иллюстрация к серьезному утверждению: жизнь полна различий. Мы, люди, отличаемся друг от друга бесчисленными особенностями. Мы скромны или самоуверенны, бледны или веснушчаты; мы можем быть водителями или парикмахерами, буддистами или пресвитерианами. Кто?то из нас живет до ста лет, а у кого?то третья стадия рака. Наши отпечатки пальцев строго индивидуальны.

Ученые лишь приблизительно представляют, как возникают эти различия. Человек — не просто результат выполнения программы, записанной с помощью ДНК. Пока зародыш развивается в матке, на его гены влияют поступающие из организма матери сигналы. Окружающая среда и после рождения продолжает непредсказуемым образом воздействовать на гены человека. То, какие именно гены активируются и будут работать, зависит от множества вещей: от пищи, которую мы едим, от воздуха, которым дышим, от травм, от радостей и скуки, пережитых в детстве. Мало того, что различия между нами трудно объяснить; они — законный повод для гордости. Человек может стать великим бейсболистом, как Бейб Рут, или композитором, как Фредерик Шопен, актрисой, как Мэй Уэст, или ученым, как Мария Кюри. Все они — продукт сложности вида, каждый представитель которого несет в себе 18000 генов, способных управлять производством 100000 белков, дающих начало удивительным живым существам. Мы уникальны по своей способности воспринимать окружающий мир и формировать свою жизнь с помощью слов, ритуалов и образов. Безусловно, наше представление о E. coli окрашено нашей гордостью.

Конечно, кишечная палочка не умеет читать и не учится в школе, у нее есть только то, что дала мать — природа. Колония, развившаяся из одного — единственного организма, представляет собой всего лишь миллиард генетически идентичных родичей, и поведение каждого из них определяется одними и теми же генетическими схемами. E. coli состоит из одной — единственной клетки; у нее нет тела, построенного из триллиона клеток, развитие которого продолжается не один год. У E. coli не бывает детства, которое она проводила бы на занятиях в частной школе или за поиском объедков на городской свалке. Ей не приходится думать о том, любит ли она улиток на обед. E. coli — всего лишь мешочек с молекулами, изготовленный по стандартному рецепту. Если две бактерии генетически идентичны, то и жизнь они проживут совершенно одинаковую.

Может быть, все это звучит правдоподобно, но на самом деле сказанное далеко от истины. В реальности колония генетически идентичных E. coli — это множество отдельных индивидуальностей. В одинаковых условиях они будут вести себя по — разному. Можно сказать, что у этих бактерий есть собственные отпечатки пальцев.

К примеру, если понаблюдать за двумя плывущими бок о бок генетически идентичными кишечными палочками, то можно уловить момент, когда одна из них сдастся, тогда как вторая будет и дальше крутить своими жгутиками. Чтобы оценить их выносливость, ученый из Калифорнийского университета в Беркли Дэниел Кошланд поместил несколько генетически идентичных E. coli в каплю воды под покровное стекло, где они плавали, вращая своими жгутиками. В качестве стимула Кошланд предложил им капельку аспартата — аминокислоты, ради которой эти бактерии готовы плыть за тридевять земель. Здесь они были заперты под стеклом и могли только кружить на месте. Кошланд обнаружил, что некоторые клоны, пытаясь добраться до аспартата, кружили по капле вдвое дольше других.

E. coli умеет демонстрировать свою индивидуальность и другими способами. Так, в колонии генетически идентичных клонов одни бактерии образуют на поверхности клетки нитевидные выросты — фимбрии, а другие нет. В стремительно растущей колонии всегда найдется несколько бактерий, которые вдруг прекратят размножение и войдут в состояние анабиоза. Часть бактерий в колонии E. coli может расщеплять лактозу, а другие — нет.

Разное отношение отдельных микроорганизмов к лактозе впервые было выявлено в 1957 г., когда два биолога из Чикагского университета, Аарон Новик и Милтон Уэйнер, решили проверить, как отдельные особи E. coli реагируют на присутствие лактозы. Они добавили в питательную среду вещество с лактозоподобными молекулами, способными, как и лактоза, запустить в организме бактерии производство бета — галактозидазы. При низких концентрациях этого вещества лишь крошечная часть колонии отозвалась на его присутствие производством фермента, а большая часть микроорганизмов никак на него не отреагировала.

Новик и Уэйнер увеличили концентрацию имитатора лактозы. Те бактерии, которые сразу начали его расщеплять, продолжали производить фермент; остальные по — прежнему не реагировали. Их поведение изменилось только после того, как концентрация имитатора преодолела определенное пороговое значение. Внезапно те микроорганизмы, которые раньше не реагировали на присутствие «лактозы», начали вырабатывать бетагалактозидазу с той же скоростью, с какой это делали любители этого сахара.

Получалось, что бактерии, несмотря на генетическую идентичность, почему?то ведут себя двумя принципиально разными способами. Новик и Уэйнер отделили любителей «лактозы» от тех бактерий, которые не желали ее утилизировать, и поместили их в свежие чашки Петри, где они смогли положить начало новым колониям. Их потомки вели себя точно так же. Любители производили на свет новых любителей, а потомки тех, кто не мог расщеплять лактозу, тоже не были способны это делать. Новик и Уэйнер обнаружили наследование признаков, не связанное с наследственностью!

Можно многое узнать о E. coli, если рассматривать ее как устройство, следующее фундаментальным принципам инженерного искусства. Это верно, но до определенного предела. Два «Боинга-777», находящиеся в одинаково хорошем техническом состоянии, должны вести себя абсолютно одинаково, но если бы они были похожи на E. coli, то в тот момент, когда один из них повернул бы налево, второй вполне мог бы повернуть направо.

Разница между E. coli и самолетом заключается в материале, из которого они сделаны. Если начинку самолета составляют провода и транзисторы, то внутри у E. coli — гибкие, подвижные и непредсказуемые молекулы. И работают они не равномерно, а «приступами». Электроны по схеме движутся равномерным потоком, а молекулы E. coli теснятся, толкаются и блуждают где попало. Когда какой?нибудь ген активируется, это не значит, что соответствующий белок теперь будет производиться равномерно во все возрастающих количествах. Ферменты не всегда вовремя появляются там, где они нужны. Отдельная E. coli иногда вдруг резко увеличивает производство тех или иных белков. Если у нее включается lаcоперон, он может за первый же час выдать шесть молекул фермента бета — галактозидазы, а может и ни одного.

Именно благодаря неравномерности синтеза белков колония генетически идентичных E. coli становится группой индивидуальностей. Майкл Еловиц, ученый из Калифорнийского технологического института, сумел продемонстрировать это при помощи остроумного эксперимента. Вместе с коллегами он добавил к lac — оперону дополнительный ген, отвечающий за производство светящегося белка. Когда экспериментаторы заставляли бактерию включить этот оперон, она начинала производить такой белок. Вот только бактерия при этом не светилась — она мерцала. Каждый раз, когда синтез флуоресцентных белков ускорялся, происходила вспышка света. Одни вспышки были сильными и продолжительными, другие — совсем слабыми. А когда Еловиц сфотографировал всю колонию разом, то оказалось, что бактерии светятся не одновременно. На любом снимке присутствовали и темные, и ярко светящиеся бактерии.

Подобная неравномерность может привести к индивидуальным различиям между генетически идентичными бактериями. Оказывается, именно благодаря им некоторые особи E. coli с готовностью расщепляют лактозу, а другие не способны этого делать. Если бы мы могли заглянуть внутрь бактерии, которая не может расщеплять лактозу, то обнаружили бы репрессор, плотно обхвативший lас-оперон. Когда лактозе удается пройти сквозь мембрану бактерии, она изменяет форму молекулы репрессора, и тот отсоединяется от оператора. Как только lас — оперон высвобождается, РНК — полимеразы E. coli очень быстро приступают к работе. Они производят РНК — копию генов оперона, а рибосома синтезирует на ее матрице белки, в том числе и бета — галактозидазу.

При этом следует учитывать, что каждая E. coli, как правило, имеет лишь несколько молекул репрессора. Любой из них требуется всего несколько минут, чтобы найти lас — оперон и прекратить производство бета — галактозидазы. За короткие мгновения свободы оперон синтезирует лишь крохотное количество этого фермента, да и те немногие молекулы, которые все же успевают появиться, вскоре разрушаются специальными белками. Добавление небольшого количества лактозы не меняет положения вещей. Внутрь микроорганизма попадает слишком мало лактозы, чтобы надолго удержать репрессоры от подавления lас — оперона. Бактерия, как и прежде, не расщепляет лактозу.

Однако, если содержание лактозы в растворе продолжает повышаться, поведение E. coli внезапно изменяется и она начинает проявлять к ней активный интерес. Существует пороговая концентрация, за которой этот микроорганизм приступает к производству больших количеств бета — галактозидазы. Секрет такого превращения таится в одном из генов lac — оперона. Одновременно с бета — галактозидазой E. coli синтезирует еще один белок — пермеазу; этот белок встраивается в мембрану микроорганизма и переносит внутрь клетки молекулы лактозы. Когда lас — оперон бактерии, не желающей расщеплять лактозу, ненадолго включается, он производит и некоторое количество молекул пермеазы, которые начинают транспортировать лактозу внутрь микроорганизма. Дополнительные молекулы лактозы связывают большее количество молекул репрессора; lас — оперон включается и работает более длительное время, пока репрессор вновь его не заблокирует. Он произведет больше белков — и бета — галактозидазы для расщепления лактозы, и пермеазы для переноса лактозы внутрь. Возникает положительная обратная связь: чем больше становится пермеазы, тем больше внутрь клетки транспортируется лактозы, которая увеличивает количество пермеазы, которая, в свою очередь, транспортирует больше лактозы. Эта обратная связь переводит E. coli в новое состояние, в котором она производит бета — галактозидазу и расщепляет лактозу со всей доступной ей скоростью[12].

Теперь E. coli трудно будет заставить вернуться к прежнему существованию. Если концентрация лактозы снизится, пермеазная система тем не менее будет активно переносить ее внутрь бактериальной клетки. E. coli сможет обеспечить себя достаточным количеством лактозы, чтобы удерживать репрессоры от блокирования оперона, так что производство бета — галактозидазы и пермеазы будет продолжаться. И только когда концентрация лактозы упадет ниже критического уровня, репрессоры вновь возьмут верх. Они заблокируют лактозный оперон, и синтез выключится.

Такой переключатель, работающий с задержкой по времени, поможет нам разобраться в странных результатах экспериментов Новика и Уэйнера. Разная реакция на лактозу у двух генетически одинаковых E. coli может объясняться разной историей этих бактерий. Не расщепляющая лактозу бактерия сопротивляется включению, тогда как вошедшая во вкус сопротивляется выключению. И оба типа бактерий способны передавать свое состояние последующим поколениям. При этом передачи разных генов не происходит. Просто одни бактерии передают потомкам много встроенных в мембрану молекул пермеазы и много плавающих внутри клетки молекул лактозы. Другие не передают ни того, ни другого.

А если к подобному переключателю добавить неравномерное производство белков, то это и будет рецепт индивидуальности E. coli. Когда колония E. coli получает немного лактозы, то у некоторых бактерий сразу же возникает гигантский всплеск производства белков, кодируемых генами лактозного оперона. Бактерии преодолевают порог, начинают расщеплять лактозу и остаются в таком состоянии, даже если ее концентрация падает. Другие E. coli в ответ на появление лактозы не производят никаких белков и по — прежнему не могут утилизировать лактозу. Так генетически идентичные клоны обретают индивидуальность в результате случайных событий.

В создании индивидуальности E. coli участвует также дополнительный механизм передачи наследственной информации. К части бактериальной ДНК присоединяются так называемые метильные группы[13]. ДНК как бы покрывается этими молекулами, состоящими из атомов водорода и углерода, — метилируется[14]. Метильные группы изменяют реакцию генов E. coli на внешние сигналы. Они способны заблокировать тот или иной ген, не повредив его, на все время жизни бактерии. При делении E. coli передает схему расположения метильных групп своим потомкам. Известно, однако, что при определенных условиях микроорганизм способен очистить свою ДНК от метильных групп и заменить их новыми в других местах; почему так происходит, ученые пока не знают.

Некоторые факторы, оказывающие влияние на E. coli, влияют и на человека. Наша ДНК тоже содержит метильные группы, и на протяжении жизни их расположение может меняться. Изменения могут быть чисто случайными, а могут определяться действием питательных веществ или токсинов. Так, даже если гены у однояйцевых близнецов изготовлены под копирку, то расположение метильных групп у них различается уже к моменту рождения и с годами разница лишь усиливается. Изменение схемы расположения метильных групп на хромосомах может сделать человека предрасположенным к раку и другим заболеваниям в большей или меньшей степени. Возможно, именно этим объясняется тот факт, что продолжительность жизни однояйцевых близнецов нередко сильно различается. Эти близнецы вовсе не одинаковы.

Кстати говоря, различное расположение метильных групп является одной из причин того, что клоны людей и животных не могут быть идеальными копиями оригинала. В 2002 г. техасские ученые сообщили о получении из генов трехцветной кошки по кличке Рейнбоу первого клонированного котенка — самочки, которую они назвали Сиси (точнее, Сс — условное обозначение поля «Копия» в электронной почте, где указываются дополнительные адреса). Однако Сиси оказалась совершенно не похожа на Рейнбоу. Если Рейнбоу отличалась белым окрасом с коричневыми, бежевыми и рыжими пятнами, то Сиси была белой в серую полоску. Рейнбоу робка, Сиси общительна. Рейнбоу склонна к полноте, Сиси худа и активна. Возможно, что эти различия объясняются иной схемой метилирования. И всплески производства тех или иных белков у них происходят по — разному. Сами молекулы, из которых они состоят, делают их не похожими друг на друга.

Индивидуальность E. coli должна послужить по меньшей мере предостережением для тех, кто готов свести природу человека к простому генетическому детерминизму. Живые организмы — не просто программы, задаваемые генами. Даже крошечным бактериям одинаковые гены и абсолютно идентичная генетическая структура могут подарить разную судьбу.