Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Во Вселенной, как известно, существует мощное стремление от порядка к беспорядку, которое называется энтропией. Так, изящные снежинки тают и превращаются в капельку воды, а чайные чашки рано или поздно бьются. А вот E. coli, кажется, противостоит целой Вселенной — собирает атомы в сложные структуры белков и генов и умудряется к тому же сохранять обретенную упорядоченность от поколения к поколению. Выглядит все это как река, текущая вверх.

С рождением молекулярной биологии олицетворением и главным признаком живого стали гены. В 2000 г. президент США Билл Клинтон объявил о том, что ученые завершили составление рабочего черновика структуры человеческого генома — последовательности нуклеотидов ДНК человека. Он заявил: «Сегодня мы познаем язык, на котором Бог создал человека».

Однако сами по себе гены мертвы, а их инструкции бессмысленны. Если каким‑то образом извлечь хромосому из клетки E. coli, то вне организма белки синтезироваться не будут. ДНК не сможет репродуцироваться. Эта хрупкая петелька попросту распадется. Так что познание генов живого организма — всего лишь первая ступень познания того, что для организма значит быть живым.

Жак Моно, еще один нобелевский лауреат из числа работавших с E. coli, перефразировал известное утверждение Альберта Клюйвера по — новому; многие ученые и сегодня повторяют вслед за ним:

«Что верно для E. coli, верно и для слона»

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.

Вирусы, способные заразить E. coli, были слишком малы; Дельбрюк и Эллис не могли их видеть. Насколько тогда было известно, эти вирусы проникают в своих хозяев — бактерий и размножаются внутри них; затем убивают микроорганизм и выходят наружу в поисках новых жертв. Казалось, что вирусы — потомки в точности похожи на предков, и это позволяло предположить, что они тоже могут обладать генами. Дельбрюк и Эллис решили выяснить историю болезни E. coli, вызываемой вирусами- бактериофагами.

При изучении бактериофагов ученые могли опираться только на косвенные свидетельства. Стоило добавить вирусы в чашку с E. coli, как они проникали внутрь бактерий и начинали там размножаться. Новые бактериофаги выходили наружу, оставляя за собой бренные останки хозяина, и заражали другие бактерии. Через несколько часов культура бактерий в чашке оказывалась испещрена прозрачными лужицами — следами безжалостного побоища. «О присутствии бактериальных вирусов можно судить по погубленным бактериям, — говорил Дельбрюк, — так же как по исчезновению куска торта можно судить о присутствии маленького мальчика».

Существует безумное количество разнообразных белков, но их объединяет одно общее фундаментальное свойство. Все белки, где бы они ни образовались — в организме человека или в бактериальной клетке, — построены из одних и тех же «деталей» — 20 небольших молекул, именуемых аминокислотами. И работают белки в бактериях примерно так же, как и в человеческом организме. Ученые с удивлением обнаружили, что одни и те же ферменты часто отвечают за одни и те же химические реакции у всех без исключения видов.

«От слона до маслянокислой бактерии — всюду одно и то же!» — заявил в 1926 г. голландский биохимик Альберт Клюйвер.

Плодовая мушка дрозофила и кресс водяной, уксусная нематода и хлебная плесень также поделились с нами своими секретами

Да, сегодня мы можем прочесть весь геном человека, все 3,5 млрд пар нуклеотидов ДНК, с помощью которых записан «рецепт изготовления» Homo sapiens

E. coli — одноклеточный микроорганизм и как таковой имеет на первый взгляд мало общего с представителями высокоорганизованных видов, таких как наш. Но ученые продолжают находить все новые и новые параллели между нами. Как и мы, E. coli должна жить рядом с другими представителями своего вида, сотрудничать, конфликтовать и общаться с ними. Подобно нам, E. coli представляет собой продукт эволюции. Сегодня ученые могут пронаблюдать, как происходит эволюция E. coli — мутацию за мутацией. Вдобавок, исследуя E. Coli, они видят древнюю историю живых существ — в том числе и нашу; эта история включает в себя, в частности, происхождение сложных структурных элементов клетки — общего предка всех живых организмов, мир до возникновения ДНК. E. coli может рассказать нам не только о собственной давней истории, но и о действии естественного отбора, сформировавшего некоторые важнейшие черты нашего сегодняшнего мира — от альтруизма до смерти.

На примере E. coli мы можем увидеть историю жизни, а также ее будущее. В 1970–е гг., когда ученые впервые пробовали вносить изменения в живые организмы, объектом для своих исследований они выбрали именно E. coli. Сегодняшнее поколение генных инженеров манипулирует E. coli еще более решительно, расширяя при этом границы наших представлений о том, что такое жизнь. Знания, полученные при изучении E. coli, помогают генетикам изменять другие виды, например кукурузу, свиней, рыб. Может быть, пройдет совсем немного времени, и они приступят к работе с человеком. Но первой была E. coli.

Если бы у меня был микроскоп, я мог бы все это время наблюдать, как сотни E. coli, подаренных мне Моралес, передвигались по чашке, питались и росли. По форме каждая из них напоминает микроскопическую подводную лодку, защищенную оболочкой из липидов и полисахаридов. За ней тянутся похожие на пропеллеры хвостики, вращающиеся с частотой несколько сотен раз в секунду. Бактерия построена из десятков миллионов молекул, которые, сталкиваясь и взаимодействуя друг с другом, обеспечивают ее рост. E. coli, доросшая до достаточной длины, делится ровно пополам. Делясь снова и снова, она дает начало миниатюрной династии; именно эти династии, набрав численность, становятся видимыми как золотистые точки. Из этих точек складывается след живого росчерка аспирантки Моралес.