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

Глава 7. Дарвин в аптеке

Глава 7. Дарвин в аптеке

Жизнь против жизни

Бактерии, живущие в чашке на моем столе, оказались далеко от родного дома. Их предки покинули тело больного дифтерией калифорнийца 85 лет назад и никогда уже не возвращались в традиционное место обитания — человеческий кишечник. Их перенесли как бы в другое измерение — в мир колб и холодильников, центрифуг и рентгеновский лучей. Эти лабораторные существа наслаждались странным комфортом, пировали, насыщались аминокислотами и сахаром — и эволюционировали на протяжении тысяч поколений. Они научились быстро размножаться и потеряли способность длительное время жить в человеческом кишечнике. Бактериям удается избежать вымирания только потому, что они так дороги биологам, которые теперь заботливо переносят их из колбы в холодильник, а из холодильника в инкубатор.

Дикие родичи наших лабораторных любимцев все эти 85 лет жили своей жизнью. Они продолжали колонизацию кишечников и тоже эволюционировали. Бактерии, населяющие наши внутренности сегодня, не идентичны тем, что обитали в человеческом кишечнике в 1920 г. И причина значительной части происшедших с кишечной палочкой изменений — мы сами.

Самый очевидный способ, при помощи которого мы заставили E. coli измениться, заключается в том, что мы стали бороться с инфекциями при помощи лекарств. E. coli, как и другие бактерии, отозвалась на наши лекарства стремительным, почти взрывным развитием. Сегодня кишечная палочка способна сопротивляться лекарствам, которые в прежние времена без труда расправились бы с ней. Ученым приходится затрачивать кучу усилий в поисках новых лекарств взамен тех, что перестали действовать, и нет никаких оснований ожидать, что у E. coli и у других бактерий не появится резистентность и к ним.

Пока ученые наблюдают, как E. coli эволюционирует в лабораторных условиях, человечество в целом наблюдает за ходом грандиозного незапланированного эксперимента по эволюции E. coli, охватившего всю планету. Подобно лабораторным экспериментам, появление любого резистентного штамма E. coli снабжает нас новой информацией о механизмах эволюции. Резистентность может развиться обычным путем — через случайные мутации и естественный отбор. Но в некоторых отношениях E. coli не укладывается в традиционную схему. Ряд исследователей считает, что ход эволюции E. coli свидетельствует о том, что в зависимости от внешних условий микроорганизм может изменять направленность своих мутаций. И если теория Дарвина основана на представлении о том, что любые организмы наследуют свойства от своих непосредственных предков, то E. coli позаимствовала значительную часть резистентности к антибиотикам у других видов бактерий. Похоже, что бактерии способны запросто обмениваться генами, как визитными карточками. Значение этих открытий не ограничивается тем, что, изучая их, мы попытаемся понять, как бороться с резистентными патогенными микроорганизмами. Не исключено, что именно эти силы формировали жизнь на Земле на протяжении последних 4 млрд лет.

Эпоха антибиотиков началась внезапно, но перед ней была разыграна долгая медленная прелюдия. Традиционные целители давно знали, что плесень способна залечивать раны. В 1877 г. Луи Пастер обнаружил, что можно остановить распространение возбудителя сибирской язвы посредством введения «обычных бактерий». Никто не знал, что именно делают обычные бактерии с бактериями сибирской язвы и каким образом умудряются остановить их распространение, но название было дано: «антибиоз» — антагонистические отношения видов, при которых один организм негативно влияет на другой (или оба негативно влияют друг на друга).

В 1928 г. шотландский бактериолог Александер Флеминг открыл вещество, способное убивать бактерии. Как?то раз он обнаружил, что одна из чашек Петри в его лаборатории заражена плесенью. Флеминг обратил внимание на один любопытный факт: вблизи плесени бактерий не было. Он провел кое — какие эксперименты и выяснил, что плесень, хотя и способна остановить распространение бактерий, не действует на человеческие клетки. Флеминг выделил синтезируемый плесневыми грибками антибиотик и назвал его пенициллином.

Поначалу пенициллин не произвел на медиков особенного впечатления — да и действительно выглядел как лекарство не слишком многообещающе. С одной стороны, Флеминг мог извлекать его из плесени лишь в крохотных количествах. С другой — вещество оказалось довольно неустойчивым и не могло долго храниться. Понадобилось десять лет, чтобы пенициллин проявил все свои возможности. Говард Флори и Эрнст Чейн из Оксфордского университета придумали, как заставить грибок производить больше пенициллина, и получили его в достаточном для испытаний на мышах количестве. Они заразили мышей стрептококком и ввели некоторым из них пенициллин. Все мыши, которым были сделаны инъекции, выжили, остальные погибли. В 1941 г. Флори и Чейн убедили американские фармацевтические компании принять на вооружение их технологию получения пенициллина и начать его производство в промышленном масштабе. Всего через три года, в 1944 г., раненых солдат союзных войск вылечивали от инфекций, которые лишь годом раньше наверняка убили бы их. Следующие несколько лет были отмечены появлением множества других антибиотиков, в основном выделенных из грибов и бактерий.

Ученые выяснили, что антибиотики убивают бактерии по — разному. Некоторые действуют на ферменты, участвующие в репликации ДНК. Другие, такие как пенициллин, мешают строительству муреинового мешка, из которого формируется оболочка E. coli и других бактерий. Прорехи в мешке приводят к тому, что содержимое микроорганизма, находящееся под высоким давлением, вырывается наружу, и тот лопается. Разумеется, количество антибиотиков, выделяемых разными живыми организмами, ничтожно, но фармацевтические компании начали производить их в невероятных объемах. Они либо выращивали грибы и бактерии в огромных биореакторах, либо синтезировали лекарственные препараты искусственным путем. Чтобы произвести антибиотик, содержащийся в одной- единственной таблетке, потребовалась бы работа миллиардов микроорганизмов. В такой концентрированной форме антибиотики оказывали поразительное действие на болезнетворные бактерии. Они не просто ослабляли инфекции. Они помогали полностью от них избавиться, причем почти без клинически значимых побочных эффектов. Казалось, что война против инфекционных болезней внезапно превратилась в увеселительную прогулку.

Но даже в те дни, счастливые дни первых побед, видны были признаки будущих проблем. В какой?то момент Флори и Чейн обнаружили, что их плесневые культуры подверглись вторжению E. coli. Эти бактерии сумели выжить в пенициллиновом бульоне, потому что обзавелись ферментом, способным разрезать молекулу антибиотика на беспомощные фрагменты.

С началом широкого применения пенициллина микробиологи получили возможность наблюдать, как мутирует E. coli. В 1943 г. Дельбрюк и Лурия показали, что именно мутации спонтанно делают E. coli устойчивой к вирусам. В 1948 г. генетик югославского происхождения Милислав Демерец показал, что с антибиотиками происходит то же самое. Он разводил резистентные штаммы E. coli и патогенного микроорганизма Staphylococcus aureus. Оба вида по мере накопления мутаций становились все более резистентными. В том же году, когда Демерец опубликовал свои результаты, врачи сообщили, что при стафилококковой инфекции пенициллин уже не всегда помогает.

Эти тревожные открытия никак не повлияли на распространение антибиотиков, которые применялись все шире и шире. Сегодня человечество потребляет более 10 000 т антибиотиков в год. По некоторым оценкам, до 1/3 рецептов на антибиотики выписывается необоснованно — реально они не нужны. Так, врачи часто прописывают антибиотики при вирусных инфекциях, хотя в этом случае они попросту бессильны. Фермеры, стремясь увеличить привесы, кормят антибиотиками скот. Но стоимость антибиотиков зачастую выше, чем получаемая от продажи этого мяса прибыль.

Развивались антибиотики, развивалась и резистентность к ним. Многие лекарственные препараты, бывшие когда?то смертельно опасными для бактерий, сегодня бесполезны. История E. coli вполне типична. Ее резистентные штаммы впервые были зарегистрированы в 1950–е гг. Поначалу лишь небольшая часть E. coli могла противостоять действию какого?то конкретного антибиотика, но с течением времени резистентные бактерии попадались все чаще. Еще несколько лет — и уже большинство бактерий могло без труда противостоять действию этого лекарства. По мере того как одно лекарство переставало помогать, врачи меняли его на другое, более сильное, с более неприятными побочными эффектами, или на недавно открытый препарат. А еще через несколько лет и это лекарство начинало отказывать. Вскоре появились штаммы E. coli, способные противостоять сразу многим антибиотикам.

У E. coli много способов борьбы с антибиотиками. Так, Флори и Чейн обнаружили, что в ее арсенале имеются секретные ферменты, способные резать пенициллин на безвредные фрагменты. В других случаях белковые молекулы E. coli изменяют форму, так что антибиотикам становится трудно связываться с ними. Бывает и так, что E. coli при помощи особых насосов избавляется от антибиотиков, выбрасывает их из себя. Для каждого волшебного снаряда, который наука припасла для E. coli, бактерия придумала не менее волшебную броню.

Лягушачья кожа

E. coli приобрела резистентность к антибиотикам практически полностью в «дикой природе», вне поля зрения ученых. Это происходило не в лабораторных колбах, где исследователи могут отслеживать каждую мутацию от поколения к поколению. Ее колбой был весь огромный мир.

Данных, которые ученым удалось собрать, достаточно, чтобы восстановить по крайней мере часть этой истории. Гены, которые сегодня обеспечивают E. coli резистентность к антибиотикам, вовсе не появились из ниоткуда в 1950–е гг. Они происходят от генов, у которых прежде были другие функции. Некоторые из насосов, предназначенных для удаления молекул антибиотика из E. coli, вероятно, развились из насосов, при помощи которых бактерии прежде выпускали наружу сигнальные молекулы. Другие насосы ранее выводили соли желчных кислот, с которыми E. coli встречается в человеческом кишечнике.

Когда бактерии впервые столкнулись с антибиотиками, их насосы, вероятно, плохо справлялись с задачей выведения этих новых странных молекул. Но иногда — очень редко, конечно — гены, отвечающие за строительство насосов, мутировали. Мутантная бактерия была способна выкачивать антибиотики чуть быстрее, чем остальные. До появления современной медицины такие мутанты, по существу, не имели никаких репродуктивных преимуществ по сравнению с остальными особями. Более того, эти мутации могли быть попросту вредными для их носителя. Но как только столкновения бактерий с антибиотиками стали регулярными, мутанты получили неоспоримое эволюционное преимущество.

Поначалу это преимущество было крохотным. После дозы антибиотика могли уцелеть лишь несколько резистентных особей — но это все же лучше, чем полная гибель. Со временем в популяциях E. coli такие мутанты стали встречаться чаще. Их потомки подвергались новым мутациям и становились еще более резистентными. В 1986 г. ученые обнаружили штаммы E. coli, синтезирующие фермент, способный разрушать молекулы целой группы антибиотиков — аминогликозидов. В 2003 г. другая группа ученых обнаружила E. coli с новым вариантом того же гена. Две новые мутации гена обеспечили его носителю резистентность не только к аминогликозидам, но и к совершенно другому антибиотику — ципрофлоксацину.

Даже в организме одного и того же человека E. coli может эволюционировать, принимая опасные формы. В августе 1990 г. в больницу Атланты поступила 19–месячная девочка с лихорадкой. Врачи выяснили, что ее кровь заражена E. coli, которая проникла туда, вероятно, через изъязвление в желудочно — кишечном тракте. Анализы выявили, что бактерия уже устойчива к двум распространенным антибиотикам — ампициллину и цефалоспорину. Врачи начали давать маленькой пациентке другие антибиотики, все более мощные, но лечение не помогало: антибиотики не только не уничтожали E. coli, но, казалось, делали ее сильнее. Бактерия обзаводилась все новыми генами резистентности, а те, что у нее уже были, продолжали развиваться. После пяти месяцев борьбы за жизнь и десяти различных антибиотиков ребенок умер.

Ужасные неудачи, подобные описанной, заставляют ученых мечтать о создании новых антибиотиков, перед которыми эволюция резистентности окажется бессильна. Подобно Флемингу, они находят многообещающих кандидатов на эту роль в самых неожиданных местах. Одна особенно перспективная с этой точки зрения группа химических веществ была обнаружена в 1987 г. в коже лягушки.

Научный сотрудник Национального института здоровья США Майкл Заслофф обратил внимание на то, что лягушки, изучением которых он в то время занимался, удивительно устойчивы к инфекции. Вообще?то на материале лягушачьей икры Заслофф пытался разобраться, каким образом в клетках происходит передача генетической информации от гена к белку. Он вскрывал африканских шпорцевых лягушек, извлекал икру, а затем вновь зашивал. Иногда вода в аквариуме успевала помутнеть и испортиться, но лягушки — даже со свежими ранами — ничем не заражались.

Заслофф предположил, что лягушки выделяют какой- то антибиотик. Он несколько месяцев возился с лягушачьими шкурками, размалывал их и так, и этак, прежде чем сумел выделить необычное вещество, уничтожающее бактерии. Вещество оказалось короткой цепочкой аминокислот — так называемым пептидом. Вместе с другими исследователями Заслофф обнаружил, что работает это вещество на фундаментально иных принципах, чем все известные на тот момент антибиотики. Его молекула обладает отрицательным зарядом, что позволяет ей притягиваться к положительно заряженной мембране бактерии, но не к клеткам эукариот, в том числе человеческих. Вступив в контакт с бактерией, пептид проделывал в ее мембране отверстие, выпуская внутреннее содержимое микроорганизма наружу.

Заслофф понял, что наткнулся на огромную природную аптеку. Оказалось, что антимикробные пептиды синтезируются многими животными — от насекомых до акул и человека, и каждый вид может производить множество типов этих соединений. У нас, к примеру, антимикробные пептиды можно обнаружить на коже, а также на слизистой оболочке кишечника и легких. Стоит потерять способность к их производству, и человек становится опасно уязвимым. Такое заболевание, как муковисцидоз, возможно, возникает отчасти из?за мутаций, которые отключают гены, отвечающие за производство антимикробных пептидов в легких. В результате бактерии в легких активно размножаются, и там накапливается вязкая жидкость.

Открыв антимикробные пептиды, Заслофф попытался превратить их в новые лекарственные средства. Такие лекарства могли бы помочь в борьбе с бактериями, развившими резистентность к традиционным антибиотикам. Мало того, могло оказаться, что к антимикробным пептидам невозможно приобрести резистентность: ведь для того, чтобы приобрести к ним устойчивость, бактерии должна были бы изменить способ построения внешней мембраны. Трудно было представить, как бактерии смогут осуществить столь фундаментальное изменение. Эксперименты тоже вроде бы подтверждали эти предположения. Ученые исследовали ряд мутантных штаммов E. coli, чтобы выяснить, не появятся ли бактерии, способные выдержать дозу антимикробных пептидов. Но этого не произошло.

Однако биолог — эволюционист Грэм Белл из Университета Макгилла в Монреале подозревал, что эволюционный потенциал E. coli может оказаться куда более мощным, чем считали ученые. Майкл Заслофф, к примеру, был с ним не согласен. Но, как всякий хороший ученый, он готов был подвергнуть свою гипотезу экспериментальной проверке. Он объединился с Беллом и его студентом Габриэлем Перроном, чтобы провести эксперимент. Что характерно, гипотеза не подтвердилась.

Исследователи начали с того, что подвергли E. coli действию антимикробного пептида очень низкой концентрации. Несколько микробов сумели уцелеть, и на их основе ученые получили новую колонию. Затем эту колонию подвергли действию того же пептида чуть более высокой концентрации. Опять же, большинство бактерий погибло, и все повторилось заново: концентрация антимикробного пептида была еще чуть — чуть повышена. E. coli продемонстрировала замечательную способность к эволюции. После всего лишь 600 поколений 30 из 32 колоний добились невозможного: развили у себя резистентность к полной дозе антимикробного пептида. Эти результаты породили серьезные опасения по поводу того, насколько эффективными могут оказаться антимикробные пептиды после появления на рынке. E. coli и другие бактерии, столкнувшиеся с низкими дозами антимикробных пептидов, получат возможность развить устойчивость к ним. Если это произойдет, они будут выдерживать все более и более высокие дозы, пока не станут полностью резистентными к этим лекарственным средствам.

Но если E. coli способна так быстро развить резистентность к антимикробным пептидам, то почему же они так эффективно защищали грязных лягушек Заслоффа? E. coli, как и другие бактерии, неразрывно связана в эволюционной гонке с животными, в которых она обычно обитает. Когда такое животное вырабатывает у себя новый антимикробный пептид, естественный отбор начинает благоприятствовать тем бактериям, которые смогут против него выстоять. Одна из распространенных стратегий бактерии — научиться производить фермент, способный разрезать новый пептид на кусочки прежде, чем тот успеет нанести вред.

После этого естественный отбор вновь начинает действовать на животное. Спасением от инфекций могут оказаться мутации, которые позволят животному блокировать новый фермент микроба. Эти мутации животное передаст своим потомкам. Животные защищаются от разрезающих пептиды ферментов тем, что делают пептиды более прочными. Их молекулы складываются в несколько раз и скрепляются дополнительными связями. Но бактерии изобрели контрстратегии и на этот случай. Некоторые виды выделяют белки, которые связывают антимикробные пептиды и не дают им внедриться в мембрану бактерии.

Для животного один из самых надежных способов преодолеть все эти стратегии состоит в том, чтобы производить множество различных видов антимикробных пептидов. Новые пептиды могут появиться в результате дупликации генов или в результате заимствования уже готовых пептидов, прежде выполнявших иные функции. Чем больше антимикробных пептидов производит животное, тем труднее бактериям вовремя их распознать. В результате гены антибактериальных пептидов претерпевают больше эволюционных изменений, чем любая другая группа генов в клетках млекопитающих.

В сравнении со сложными и постоянно меняющимися атаками на антимикробные пептиды эксперимент Белла и Заслоффа выглядит детской игрой. Ученые подвергли E. coli действию всего лишь одного антимикробного пептида и обеспечили серьезные преимущества мутантам, которые смогли при этом выжить. К несчастью, современная медицина работает скорее по схеме Белла и Заслоффа, чем по методикам естественной эволюции. Врачу для борьбы с инфекцией предлагается достаточно скромный выбор антибиотиков, да и пациенту, как правило, прописывают лишь один препарат. Всего за несколько лет такая практика приводит к возникновению резистентных бактерий. Возможно, нам удавалось бы более успешно бороться с бактериями, если бы новые лекарства быстрее проходили все этапы разработки и если бы врачи могли без опасений прописывать пациенту по нескольку препаратов сразу.

Способность E. coli к быстрому развитию резистентности должна преподать нам немало уроков. Возможно, самый поразительный урок заключается в том, что человеческое тело, как и тела наших предков, фактически работает как фармацевтическая лаборатория.

Эволюция на заказ

Когда в 1942 г. Сальвадор Лурия открыл закономерности, согласно которым у E. coli развивается сопротивляемость к вирусам, он получил первые убедительные доказательства случайности и ненаправленности мутаций. С тех пор было проведено огромное число экспериментов как на E. coli, так и на многих других видах. Подтвердилось, что частота мутаций достаточно стабильна. Но результаты некоторых экспериментов на E. coli возбудили у ученых неожиданные сомнения. Что если мутации не так слепы, как принято считать?

Химик Флойд Ромесберг из Научно — исследовательского института Скриппса провел эксперимент и посмотрел, как E. coli приобретает резистентность к антибиотикам. В качестве действующего вещества он выбрал ципрофлоксацин (торговое название — ципро). Впервые этот антибиотик появился еще в 1980–е гг. как перспективная замена старым лекарственным средствам, которые начали терять эффективность. Однако уже через несколько лет после начала применения этого антибиотика появились первые сообщения о резистентных к нему микроорганизмах. При этом в разных частях света устойчивые к ципрофлоксацину бактерии встречаются с разной частотой. В Германии, к примеру, в 2002 г. резистентными к ципро были примерно 15 % E. coli. В Китае в том же году в одном из исследований получились значительно более высокие показатели — 59 %.

Чтобы понять, как появляются у E. coli гены устойчивости к ципрофлоксацину, Ромесберг с коллегами вводили шестинедельным мышам болезнетворный штамм E. coli. После этого они вводили им ципрофлоксацин, и инфекция пропадала — по крайней мере на первый взгляд. Но через три дня она возобновлялась. Когда ученые проверили новые бактерии, выяснилось, что за это время E. coli стала в 50 раз более устойчивой к ципро, чем была в начале эксперимента.

Ципро убивает E. coli, обманом вынуждая ее совершить самоубийство. Известно, что он вмешивается в процесс производства фермента топоизомеразы, который умеет разрезать и вновь сшивать молекулы ДНК. Такое умение становится необходимым бактерии всякий раз, когда ее ДНК запутывается. Ципро не позволяет топоизомеразе завершить работу и сшить разрезанную ею ДНК. Свободные концы разрезанной молекулы привлекают другие ферменты, специализирующиеся на разрушении изолированных кусочков ДНК. Эти ферменты разрушают большую часть хромосомы E. coli и убивают бактерию.

Ромесбергу пришло в голову, что действие ципро может этим не ограничиваться; возможно, он, помимо всего прочего, заставляет E. coli мутировать быстрее. Известно, что E. coli исправляет поврежденную ДНК при помощи ферментов ДНК — полимераз. Бактерия синтезирует два вида ДНК — полимераз: один из них производит исправление (репарацию) молекулы с высокой точностью, а другой — с низкой. Как правило, необходимым исправлением молекул ДНК занимается высокоточная ДНК — полимераза; при этом гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности, блокированы белком, получившим название LexA. Но когда E. coli попадает в критическую ситуацию, все меняется. Если выясняется, что бактерия перегружена большим количеством поврежденной ДНК, LexA освобождает гены ДНК- полимеразы низкой точности, и та тоже принимает участие в репарации ДНК E. coli. Однако работу она делает менее аккуратно и точно, оставляя после себя большее количество мутаций.

Ромесберг подумал: что если эти дополнительные мутации помогают E. coli быстрее развивать устойчивость к ципрофлоксацину? Конечно, в большинстве своем мутации могут оказаться вредными для бактерии, но некоторые могут привести к созданию такой топоизомеразы, которая способна делать свою работу и сшивать ДНК даже в присутствии антибиотика. Возможно также, что эти дополнительные мутации возникают только во время подобных кризисов. Как только E. coli вновь обретет способность резать и сшивать ДНК, количество ее бесхозных кусочков резко уменьшится. LexA вновь блокирует гены, кодирующие ДНК — полимеразу низкой точности, и подавляет их активность, а значит, E. coli возвращается к более аккуратной и точной репарации ДНК.

Ромесберг с коллегами проверил свою гипотезу при помощи весьма остроумного эксперимента. Исследователи создали штамм E. coli, в котором белок LexA постоянно блокировал гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности. Столкнувшись с ципрофлоксацином, такие бактерии продолжали как ни в чем не бывало исправлять свою ДНК с высочайшей точностью. Ромесберг и его коллеги ввели полученный штамм мышам, а затем дали им антибиотик. В 2005 г. ученые опубликовали результаты своего эксперимента: E. coli, не способная мутировать чаще, вообще не сумела развить у себя устойчивость к ципрофлок- сацину.

Эксперимент Ромесберга наглядно продемонстрировал, что мутации могут быть не настолько случайными и слепыми, как считалось раньше. Возможно, E. coli, вместо того чтобы пассивно коллекционировать мутации, изобрела способ управлять ими к собственной выгоде.

Первые намеки на существование не слишком случайных мутаций были получены в эксперименте 1988 г., который можно назвать «кругом вода, а с питьем беда». Джон Кейрнс, работавший тогда в Гарварде, вместе с коллегами получил мутантный штамм E. coli, почти совершенно не способный утилизировать лактозу. Его lас — оперон был в полном порядке, a вот последовательность нуклеотидов промотора[20], задача которого — включать оперон, была слегка изменена. Затем Кейрнс и его коллеги перестали давать своим бактериям какую бы то ни было пищу, кроме лактозы. Бактерии перестали размножаться и начали голодать. Однако полностью они все же не вымерли.

Через шесть дней появилось около 100 новых колоний. Кейрнс проверил lас — оперон бактерий и обнаружил у них новую мутацию, которая вновь позволила им включать этот оперон. Но если бы бактерии мутировали спонтанно с обычной частотой, то за это время они, по оценке Кейрнса, успели бы образовать лишь одну колонию. Вывод ученого был прост: подопытные бактерии обзавелись работающими генами в сто раз быстрее, чем можно было ожидать.

«Возможно, у клеток есть способы выбирать, какие именно мутации будут происходить», — констатировали Кейрнс и его соавторы.

«Направленные мутации» — именно под таким названием стало известно это явление — вызвали настоящую бурю. Мысль о том, что E. coli способна в кризисной ситуации заставить мутировать конкретный ограниченный участок ДНК, попахивала ламаркизмом. Критики обвиняли Кейрнса практически в мистицизме: ведь согласно его гипотезе E. coli должна понимать, что мутации конкретного участка ДНК помогут ей справиться с конкретной критической ситуацией. Последовала целая волна новых исследований; ученые пытались понять, что все?таки происходит.

В конце концов научная общественность пришла к единому мнению: загадочные мутации не являются в строгом смысле слова направленными и не предназначены для достижения какой?то конкретной цели. У многих бактерий, переживших голод и вновь получивших способность использовать в качестве источника питания лактозу, обнаружились и другие мутации, на этот раз в генах, не имевших никакого отношения к лактозе. Вместо «направленных мутаций» ученые заговорили о «гипермутировании». Добавляя к слову приставку «гипер», они подразумевали, что в критической ситуации частота мутаций у E. coli может подскочить в сто, а то и в тысячу раз. Исследования показали, что ДНК — полимеразы низкой точности и есть те ферменты, которые вызывают дополнительные мутации.

Некоторые ученые утверждают, что гипермутирование — элегантная стратегия борьбы с вымиранием. В нормальных условиях естественный отбор благоприятствует низкой частоте мутаций, поскольку в большинстве своем мутации вредны. Но в критических, стрессовых ситуациях дополнительные мутации резко повышают шансы на то, что вид сумеет — и успеет — случайным перебором вариантов найти выход из кризисной ситуации. Чтобы избежать голода, E. coli не обязательно знать, что для этого хватит одной крохотной мутации в переключателе, который управляет работой генов, участвующих в метаболизме лактозы. Ей просто придется испытать разные варианты изменений ДНК и в конце концов добраться до нужного варианта.

В гипермутировании заключается очевидный риск: вместе с необходимой благоприятной мутацией оно может породить множество мутаций вредных. Сьюзен Розенберг из Бейлоровского медицинского колледжа в Техасе и ее коллеги считают, что E. coli минимизирует этот риск, распределяя его на всю колонию. Когда у E. coli в критической ситуации происходят дополнительные мутации, у каждой отдельной бактерии изменяется литтть один крохотный участок ДНК. Естественно, у разных микроорганизмов эта область мутаций приходится на разные участки молекулы; в противном случае каждая особь получила бы множество неблагоприятных мутаций, рассредоточенных по всему геному. В то же время в многочисленной колонии могут быть одновременно опробованы новые версии едва ли не всех генов. Если хотя бы несколько бактерий наткнется на удачный вариант, эти особи тут же начнут стремительно размножаться.

Возможно, гипермутирование для E. coli — хороший способ справиться со стрессом, но возник этот механизм по совершенно иным причинам. Оливье Тенайон из Национального института здоровья и медицинских исследований Франции указывает, что для синтеза высокоточных ДНК — полимераз требуется немало энергии и материалов.

Может быть, в моменты стресса E. coli просто не может позволить себе роскоши тщательной и точной репарации ДНК. Вместо этого она обращается к ДНК — полимеразам низкой точности. Работают они, конечно, весьма небрежно, но зато E. coli укладывается в энергетическую смету. На самом деле естественный отбор, предполагает Тенайон, благоприятствует вовсе не высокой частоте мутаций, а просто возможности энергетически менее затратного исправления ДНК.

Но даже если кардинальное изменение частоты мутаций у бактерий возникло как побочный эффект, в определенных обстоятельствах оно все же может быть полезным. Тенайон с коллегами продемонстрировал, что у E. coli частота мутаций различается чрезвычайно сильно. В стрессовой ситуации одна бактерия может мутировать в тысячу раз быстрее другой. Должно быть, такой огромной разницей микроорганизмы обязаны генам, отвечающим за гипермутирование, которые могут передаваться от поколения к поколению.

Вполне возможно, что в разных ситуациях естественный отбор подхватывает варианты с разной частотой мутаций. Тенайон и его коллеги отслеживали среднюю частоту мутаций у E. coli при колонизации ею мыши. В самом начале колонизации, когда бактерии испытывали сильный стресс, наибольшее распространение в популяции имели особи с высокой частотой мутаций. Когда же бактериям удавалось основать в кишечнике мыши стабильные колонии, первенство переходило к редко мутирующим особям. Антибиотики, вероятно, также приводят к появлению множества часто мутирующих особей, потому что у них устойчивость к лекарству может появиться быстрее, чем среди бактерий, которые мутируют реже.

Некоторые критики скептически настроены по отношению к направленным мутациям, гипермутациям и их «идеологическим» следствиям. Так, Джон Рот из Калифорнийского университета в Дэвисе и Дан Андерссон из Уппсальского университета в Швеции полагают, что Кейрнс в своих первоначальных экспериментах не открыл ничего необычного. Просто у бактерий, которые он использовал, lас — оперон не был заблокирован полностью и мог все же производить нужные белки, хотя и в очень небольшом количестве; и это позволяло бактериям не погибнуть от голода. При этом вполне могло быть так, что обычная случайная мутация удвоила у одной из бактерий lас — оперон, позволивший ей утилизировать больше лактозы и размножаться быстрее. У кого?то из потомков этой бактерии могла столь же случайно возникнуть третья копия этого участка ДНК, и естественный отбор в условиях эксперимента подхватил и эту мутацию.

Таким образом, утверждают Рот и Андерссон, E. coli вполне может расширить свою коллекцию генов лактозного оперона посредством всего лишь обычных спонтанных мутаций и естественного отбора. Кстати, по мере роста числа копий lac — оперона вероятность того, что какая?нибудь случайная мутация восстановит одну из них до нормального рабочего состояния, также возрастает. Бактерии, которым так повезет, внезапно начнут размножаться намного быстрее, чем остальные. Позже новые мутации, возможно, избавят их от лишних дефектных копий, оставив одну нормально работающую. По мнению Рота и Андерссона, этот процесс может создавать иллюзию направленных мутаций при полном отсутствии таковых.

Дебаты на эту тему продолжаются с неослабевающей силой. Следует отметить, что вопрос этот важен как для реальной медицинской практики, так и в научном плане для понимания механизмов жизни. Если для выживания микроорганизмам действительно необходимо регулировать частоту мутаций, то мы, вмешавшись в механизм такого управления, возможно, научимся убивать бактерии более эффективно. Как мы помним, Флойд Ромесберг показал, что, если не дать E. coli повысить частоту мутаций, устойчивость у нее не разовьется. В настоящее время он и его коллеги пытаются разработать на основе своего открытия конкретные методы лечения. Они надеются, что когда?нибудь человек одновременно с антибиотиком будет принимать особое лекарство, которое не позволит микроорганизмам увеличить частоту мутаций.

Некоторые ученые полагают, что животные и растения способны манипулировать мутациями в любых стрессовых ситуациях. Сьюзен Линдквист с коллегами из Института Уайтхеда в Кембридже (штат Массачусетс) обнаружили, что у плодовых мушек имеется своеобразный буфер, который в какой?то степени защищает их от последствий вредных мутаций. Так, неблагоприятная мутация может привести к тому, что геометрическая форма, в которую сворачиваются молекулы определенного белка, будет неправильной. Но у плодовой мушки есть белки теплового шока, способные вернуть этим молекулам правильную форму. Линдквист утверждает, что генетическое разнообразие плодовых мушек намного шире, чем было бы возможно без помощи белков теплового шока.

Линдквист обнаружила, что стресс выявляет подобные мутации. Если в окружающей среде поднимается температура или появляются токсические вещества, даже нормальные белки в клетках мух утрачивают нормальную форму. Белки теплового шока работают на пределе возможностей и не успевают придать всем мутантным белкам правильную форму Эти белки могут очень заметно влиять на внешний вид мушек, меняя цвет глаз, форму крыльев или другие части тела.

Линдквист предполагает, что белки теплового шока позволяют мушкам накопить запас мутаций, преимуществами которых мушки могут воспользоваться в моменты стресса, не испытывая при этом в более спокойные времена никаких отрицательных воздействий с их стороны. Проявившаяся в критический момент мутация может оказаться полезной для организма, а дальнейшие мутации, возможно, позволят ей работать и после исчезновения стресса. Линдквист с коллегами нашла аналогичный буфер мутаций у растений и грибов; это позволяет предположить, что такая стратегия обычна для живых организмов. Механизм, предложенный Линдквист, немного отличается от процесса гипермутирования у E. coli, но дает, по существу, те же фундаментальные преимущества: он позволяет обуздать творческий потенциал мутаций и одновременно минимизировать связанные с ними риски.

Но выясняется, что увеличение числа копий генов по Роту и Андерссону является механизмом, применяемым не только лишенной лактозы E. coli. Приобретение дополнительных копий уже имеющегося гена может помочь множеству живых организмов адаптироваться к новым для них неблагоприятным условиям среды.

Представьте, что микроорганизм сталкивается с новым видом питательных веществ, с которым никогда не встречались его предки. Все ферменты, которые он использует при переработке пищи, в результате естественного отбора настроены на расщепление других молекул. Это, впрочем, не обязательно означает, что микроорганизм не способен утилизировать другие соединения; ферменты вообще настраиваются не слишком точно. Фермент, который очень эффективно разрезает на части молекулы одного типа, может расщеплять молекулы и другого типа, но медленнее и более неуклюже. Если в результате мутаций микроорганизм окажется обладателем нескольких копий гена, он сможет расщеплять новые для него молекулы питательных веществ в большем количестве.

Биолог Итиро Мацумура из Университета Эмори показал на примере E. coli, насколько неразборчивыми могут быть ферменты. Мацумура и его коллеги создали 104 штамма E. coli, у каждого из которых не хватало какого?нибудь абсолютно необходимого для жизни гена. Затем они создали тысячи плазмид, в которых содержалось по несколько экземпляров другого гена E. coli. Исследователи добавляли такие плазмиды к лишенному необходимого гена штамму и смотрели, не смогут ли эти гены заместить ген, удаленный Мацумурой. Ученым удалось «оживить» таким образом 21 из 104 штаммов.

Эксперимент Мацумуры помог обнаружить у E. coli скрытую пластичность, позволяющую ей приспосабливаться к новым условиям. Не исключено, что и другие виды используют подобные возможности своей ДНК. По мере того как в геноме возникают дополнительные копии генов, микроорганизмы получают возможность более эффективно расщеплять новой питательный субстрат, или обезвреживать какой?то яд, или справляться с беспрецедентно высокой температурой. Со временем одна из копий гена может измениться и обрести намного более эффективную форму; остальные копии после этого могут постепенно исчезнуть.

Умножение генов может играть творческую роль в эволюционном процессе, но оно же может подвергнуть человека смертельной опасности. Подобно E. coli, клетки нашего тела иногда мутируют и (в очень редких случаях) вступают на дорогу в конце которой их ждет превращение в раковые клетки. Они перестают подчиняться механизмам регулирования, сдерживающим рост нормальных клеток. Пока они продолжают делиться и мутировать, новые мутации делают их все более агрессивными и придают способность уходить из?под удара иммунной системы. Подобно E. coli, пытающейся приспособиться к питанию лактозой, эти клетки сталкиваются в процессе роста с множеством самых разных препятствий. Любая мутация, способная помочь им преодолеть эти препятствия, подхватывается естественным отбором. Мутации умеют создавать дополнительные копии генов, которые позволят клеткам опухоли размножаться быстрее или, к примеру, успешно сопротивляться химиотерапии. Некоторые из этих дополнительных генов могут принять на себя новые функции и сделать тем самым опухоль еще более опасной.

В общем, иногда E. coli слитком похожа на слона, чтобы слон мог чувствовать себя в безопасности.

Гены в подарок

Вторая мировая война, как и любая другая, предоставила E. coli богатейшие возможности для убийства. Штаммы, вызывающие дизентерию и называвшиеся тогда Shigella, носились по полям сражений и оккупировали города один за другим, убивая без счета. В конце войны шигелла отступила с территории тех стран, которые сумели быстро восстановить канализацию и наладить снабжение чистой водой. Однако там, где с водой были проблемы, — в бедных странах Африки, Латинской Америки и значительной части Азии — шигелла продолжала благоденствовать. Единственным исключением из этого правила оказалась Япония. Эта потерпевшая поражение страна все?таки наладила очистку воды, и за первые два года случаев дизентерии стало гораздо меньше. Но затем, по какой?то необъяснимой причине, болезнь вернулась. Если в 1948 г. шигелла стала причиной менее чем 20000 случаев болезни, то в 1952 г. их было уже более 110 000.

Японские микробиологи были хорошо знакомы с бактерией Shigella еще с тех времен, когда в 1897 г. Киёси Сига впервые открыл его. Во время послевоенной вспышки шигеллеза они отбирали у пациентов тысячи бактериальных проб и неустанно искали источник новообретенной мощи зловредной бактерии. Выяснилось, что у микроорганизмов стремительно развивается резистентность к антибиотикам. Сначала микробиологи обнаружили штаммы бактерий, устойчивые к сульфамидным препаратам. Затем, всего через несколько лет, появилась устойчивость к тетрациклину, а чуть позже — к стрептомицину и хлорамфениколу.

Поначалу распространение резистентных штаммов шигеллы шло по обычной для всех бактерий схеме: мутации создавали мощные новые гены, дававшие отдельным бактериям репродуктивное преимущество. Но затем случилось нечто поразительное. На сцене появились штаммы шигеллы, устойчивые к действию всех антибиотиков одновременно. Преображение происходило внезапно: если врачи давали пациенту, страдающему шигеллезом, антибиотик одного какого?нибудь типа, бактерии часто приобретали резистентность и к другим антибиотикам, которых данный пациент никогда не принимал.

Пытаясь хоть как?то объяснить обнаруженные странности, японские ученые вспомнили открытие Джошуа Ледерберга, сделанное за несколько лет до этого, — открытие полового размножения у E. coli. Ледерберг показал, что иногда — достаточно редко — эта бактерия может передавать часть своих генов другой, неродственной. В его экспериментах кольцевые молекулы ДНК — плазмиды, переходили от одной бактерии к другой, перенося часть бактериального генетического материала. Ледерберг и другие исследователи установили также, что профаги — тихие вирусы — нелегалы — способны тоже служить челноками и переносить гены туда и сюда. Пробудившийся к жизни вирус иногда случайно копирует несколько генов хозяина в собственную ДНК, а потом переносит эти гены в другие бактерии. За эти открытия Ледерберг и другие ученые были удостоены нескольких Нобелевских премий, но в течение многих лет большинство биологов рассматривало подобную «инфекционную наследственность» всего лишь как удобный лабораторный инструмент, а не как существенную часть природоустройства. Они ошибались, и послевоенные вспышки дизентерии в Японии стали тому первым доказательством.

Цутомо Ватанабэ из Университета Кэйо в Токио и другие японские ученые начали разбираться, действительно ли шигелла способна обмениваться генами. Они доказали, что E. coli К-12 и Shigella могут обмениваться генами резистентности. Эксперименты на людях, больных шигеллезом, подтвердили результат. Ватанабэ сделал заключение, что использование больших доз антибиотиков подталкивало эволюцию генов резистентности либо у шигеллы, либо у какого?то другого вида бактерий, обитающего в кишечнике. В редких случаях резистентная бактерия передавала свои гены кому?то из соседей. Более поздние исследования показали, что эти гены располагаются в плазмиде.

Стоило японским врачам начать лечить пациентов новым антибиотиком, как возникали новые гены, обеспечивающие резистентность к нему, а содержащие его плазмиды обнаруживались в популяциях бактерий по всей Японии. Иногда случалось так, что микроорганизм получал при передаче генетического материала две плазмиды одновременно, причем они несли гены резистентности к разным антибиотикам. Две плазмиды могли обменяться участками ДНК, и в результате в некоторых случаях возникала плазмида с двумя генами резистентности вместо одного. Естественный отбор благоприятствовал носителям новых плазмид еще в большей степени, потому что они обладали устойчивостью к обоим антибиотикам. Постепенно плазмиды собирали в себе все большее количество генов резистентности. В итоге шигелла приобрела устойчивость практически ко всем лекарственным средствам, с помощью которых врачи пытались от нее избавиться.

До 1963 г., когда Ватанабэ написал на английском языке длинный обзор для журнала Bacteriological Review, мало кто из ученых за пределами Японии знал об этих открытиях. Западные ученые были поражены. Они поставили собственные эксперименты и убедились, что Цутомо Ватанабэ совершил крупное открытие. Оказывается, гены способны курсировать между бактериями, причем не одним способом. Некоторые из них переносятся с места на место плазмидами; в перемещении других принимают участие вирусы. Вирусы случайно встраивают в свой геном гены хозяина, а затем переносят их в нового хозяина, которого инфицируют. Иногда бактерии попросту целиком «заглатывают» ДНК, высвободившуюся в момент гибели другой бактерии. Так получается, что гены резистентности могут передаваться не только между особями одного вида, но и между разными видами микроорганизмов.

Горизонтальный перенос генов, как теперь называется это явление, лучше всего работает в тех местах, где в небольшом объеме сосредоточено множество бактерий. Так, передача генов между бактериями нередко происходит в человеческом организме, а также в организме цыплят и других домашних животных, которых кормят антибиотиками. Даже комнатные мухи, зараженные E. coli, могут стать местом обмена генами. Горизонтальный перенос позволяет генам перепрыгивать из одного микроба в другой и перемещаться территориально на поразительно большие расстояния. В джунглях Французской Гвианы ученые обнаружили резистентную к антибиотикам E. coli в кишечнике индейцев — ваямпи, никогда этих лекарств не принимавших. При исследовании E. coli, живущей в Великих Озерах, другая команда ученых обнаружила гены резистентности у 14 % бактерий.

Горизонтальный перенос не просто способствует распространению генов резистентности, но и подстегивает их эволюцию. Ген, обеспечивающий резистентность к антибиотику, может принести пользу не только своему первоначальному хозяину, но и другим бактериям, в чьем геноме он окажется. При этом в геноме новых хозяев ген продолжает подвергаться естественному отбору и вполне может стать еще более эффективным. Микроорганизм способен собрать в себе целый арсенал средств защиты от антибиотиков; при этом он не просто наследует эти средства от предков, а пользуется достижениями всего сообщества бактерий.

Биологи далеко не сразу поняли все значение японской вспышки шигеллеза. Горизонтальный перенос генов — причина настоящей медицинской катастрофы, которая продолжает разворачиваться в настоящее время. Но биологам долгое время не удавалось обнаружить какие бы то ни было свидетельства такого переноса в других ситуациях, помимо резистентности к антибиотикам. Тому были объективные причины. Только в 1990–е гг. ученые смогли сравнить полный геном E. coli с геномами других бактерий и как следует поискать в нем гены, полученные путем горизонтального обмена. Подобные исследования навсегда изменили наши представления об истории жизни на Земле. Сегодня мы знаем, что горизонтальный перенос генов — отнюдь не тоненький часто пересыхающий ручеек ДНК. Это настоящий поток. И сегодняшний облик E. coli — во многом его заслуга