МИКРОКОСМ. E. coli и новая наука о жизни
Глава 1. Росчерк жизни
Я держу в руках прозрачную круглую коробочку и смотрю в окно. Всюду жизнь: двор зарос овсяницей и клевером, зверобой тянет листочки к солнцу и приманивает цветками жужжащих шмелей. Рыжий кот притаился под кустом сирени и, задрав голову, выслеживает зазевавшегося щегла. В небе летают снежные цапли и чайки. Нагло выглядывают из травы поганки и весёлки. У них есть общая черта, отличающая их от валунов и водопадов, катеров и канцелярских кнопок, — они живые.
Нам—το понятно, что эти объекты живые, но совершенно не очевидно, что значит быть живыми для них самих. Как все молекулы в теле снежной цапли умудряются работать согласованно и поддерживать жизнь птицы? Хороший вопрос, особенно с учетом того факта, что ученые на данный момент расшифровали лишь несколько коротких участков ДНК снежной цапли. Большинство встречающихся на Земле видов живых существ таят такие же загадки. Даже о себе мы знаем не так уж много. Да, сегодня мы можем прочесть весь геном человека, все 3,5 млрд пар нуклеотидов ДНК, с помощью которых записан «рецепт изготовления» Homo sapiens. В этом генетическом фолианте ученым удалось идентифицировать около 18 000 генов, каждый из которых кодирует один из белков — строительных материалов нашего тела. При этом ученые не имеют представления о том, для чего нужна добрая треть упомянутых генов, и слабо понимают назначение большинства остальных. Мало того, наше невежество простирается гораздо дальше этих загадочных генов. Ведь гены, кодирующие белки, составляют всего лишь около 2 % человеческого генома. Остальные девяносто восемь — практически неисследованная территория.
На всей планете есть лишь несколько видов живых существ, представляющих собой исключение из этого правила. Крупнейшее из исключений живет в круглой пластиковой коробочке, которую я держу в руках. Сама коробочка — чашка Петри — кажется совершенно безжизненной по сравнению с биологическим буйством за окном. На обратной стороне крышки видны несколько капелек воды. На дне чашки находится слой агара — плотного серого студня, изготовленного из водорослей с добавлением сахара и других веществ. На поверхности агара можно разглядеть цепочку бледно — золотистых точек, словно след кисти художника — пуантилиста. В каждой из этих точек — миллионы бактерий. Все они принадлежат к виду, который ученые интенсивно изучали в течение столетия и теперь понимают лучше, чем практически любой другой вид на Земле. Именно этот вид стал моим проводником в жизнь — экспертом, способным рассказать о том, чем живые организмы отличаются от безжизненной материи, о принципах, которым подчиняются все живые существа, будь то бактерия, снежная цапля или любопытный человек. Я переворачиваю коробочку. На дне, на кусочке пластыря, надпись: E. coli К-12 (штамм Р1).
Я стал обладателем чашки Петри с кишечной палочкой Escherichia coli во время посещения Лабораторий Осборна — похожего на крепость здания на территории Йельского университета. На четвертом его этаже располагается лаборатория, заставленная инкубаторами с неаппетитным содержимым и бутылями, наполненными мутной жидкостью. Аспирантка Надя Моралес надела перчатки лилового цвета и поставила на лабораторный стол две чашки Петри — одну стерильную, другую с мутной кашицей, кишащей E. coli. Она взяла специальную петлю — изогнутую проволочку на пластмассовой ручке — и сунула ее в пламя газовой горелки. Петля засветилась оранжевым. Моралес вынула ее из пламени, дала остыть, а затем погрузила в кашицу. Открыв пустую чашку, она мазнула капелькой кашицы по стерильному агару — будто подпись поставила. После этого девушка тщательно закрыла крышку чашки и проклеила стык пластырем.
— Вероятно, первые колонии вы увидите завтра, — сказала она, подавая мне чашку. — А через несколько дней она завоняет.
Казалось, аспирантка дала мне философский камень. Очень скоро в безжизненном агаре моей чашки Петри закипели невиданные химические процессы. Старые молекулы распадались на части и соединялись в совершенно иных сочетаниях. Из воздуха в чашке исчезали молекулы кислорода, вместо них появлялся углекислый газ и капельки воды на крышке. Все пространство чашки было завоевано жизнью. 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.
Если вам прежде доводилось слышать о кишечной палочке E. coli только в новостях, где речь шла о пищевых отравлениях, то выбор именно этого микроорганизма в проводники к тайнам жизни может показаться странным. Бесспорно, среди эшерихий есть и смертельно опасные штаммы. Но большая их часть совершенно безобидна. Примерно сотня миллиардов E. coli мирно живет в моем кишечнике, еще сотня миллиардов — в вашем; они во множестве населяют организм практически любого теплокровного животного на Земле. Их можно встретить в реках и озерах, в лесах и городских дворах. Помимо этого E. coli обитает в тысячах лабораторий, где ее разводят в бутылях с пенящимся содержимым и размазывают по чашкам Петри.
В начале XX в. ученые, стремясь познать природу жизни, начали исследовать безвредные штаммы E. coli. И кое — кому из них уже в конце первого десятилетия пришлось съездить в Стокгольм за Нобелевскими премиями, присужденными за эти работы. Позже новые поколения ученых пытались разобраться в устройстве E. coli. Они тщательно изучили большую часть из четырех с чем‑то тысяч генов этого микроорганизма и открыли новые законы жизни.
Именно на примере E. coli мы начинаем понимать, как гены согласованно работают, поддерживая жизнь, и как жизнь попирает стремление Вселенной к беспорядку и хаосу. 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.
Я подношу чашку Петри к окну. Сквозь агаровую дымку проглядывают все те же деревья и цветы. Каждая точка золотистого росчерка преломляет изображение. Я смотрю на жизнь сквозь увеличительное стекло, состоящее из миллионов E. coli.
Глава 2. E. coli и слон
«Роскошный рост»
Escherichia coli обитала в организме наших предков на протяжении миллионов лет еще тогда, когда предки эти вовсе не были людьми. Но только в 1885 г. вид Homo sapiens и его жильцы были официально представлены друг другу. Немецкий педиатр по имени Теодор Эшерих занимался выделением бактерий из пеленок здоровых младенцев и среди обнаруженных им видов заметил палочковидный микроб, демонстрировавший «невероятный, роскошный рост». Этот микроорганизм прекрасно рос в любой пище — молоке, картофеле, крови.
Современная биология тогда только зарождалась, и Эшерих мало что мог сказать о новой бактерии помимо того, что она существует. В 1880–е гг. ученые практически ничего не знали о том, что происходит внутри E. coli — как именно молоко, картофель или кровь превращаются в живую материю. Ученые сходились во мнении, что живой организм подобен биологической печи, где сжигается топливо — пища и производятся тепло, отходы и органические молекулы. Но о том, нужна ли для этих превращений загадочная «искра жизни» или это всего лишь разновидность обычных химических процессов, которые можно воспроизвести в любой лаборатории, шли горячие споры.
Бактерии во времена Эшериха представлялись особенно загадочными. Казалось, что эти существа принципиально отличаются от животных и других многоклеточных организмов. К примеру, человеческая клетка по размеру в тысячи раз превосходит E. coli. У нее сложная внутренняя «география»: в центре клетки находится большой мешочек, получивший название ядра, в котором располагаются гигантские образования — хромосомы. У бактерий же ученые не смогли обнаружить не только ядер, но и вообще почти ничего. Бактерии казались крохотными безликими мешочками с жизнетворной слизью, зависшими где‑то на границе между жизнью и нежизнью.
Эшерих, врач — педиатр с передовым мышлением, принял радикально новую точку зрения на устройство бактерий: они вовсе не пассивные мешочки со слизью, а живые существа, способные инфицировать людей и вызывать болезни. Как педиатра его больше всего тревожило заболевание, которое он назвал «самым убийственным из всех кишечных болезней», — диарея, или в просторечии понос. В XIX в. младенческая смертность от диареи в Германии была ужасающей, и врачи не понимали почему. Эшерих был убежден (и справедливо), что малышей убивают бактерии. Но обнаружить патогенные микробы было очень непросто, потому что в кишечнике даже самых здоровых младенцев полным — полно бактерий. Прежде чем распознать микроба — убийцу, Эшериху надо было отбросить все безвредные виды микроорганизмов.
«Казалось бы, попытка проверить и отделить случайно обнаруженные бактерии — бессмысленное и сомнительное занятие», — писал он. Но ученый все же попытался это сделать и в процессе исследований наткнулся на вроде бы безобидного обитателя кишечника, которого мы сегодня называем E. coli.
Эшерих опубликовал краткое описание E. coli в одном из немецких медицинских журналов вместе с небольшим групповым портретом палочковидных бактерий. Его открытие не вызвало никакого фурора. После смерти Эшериха в 1911 г. на его надгробном камне не выгравировали об этом ни слова. E. coli была всего лишь одной из строчек в длинном списке видов бактерий, которые в те годы обнаруживали ученые. Тем не менее именно это открытие оказалось главным вкладом Эшериха в науку.
С тех пор невероятный, роскошный рост E. coli наблюдали в лабораториях всего мира. Пытаясь разобраться в механизмах этого роста и таким образом понять фундаментальные основы жизни, ученые проводили тысячи экспериментов. Конечно, в развитии современной биологии сыграли свою роль и другие виды. Плодовая мушка дрозофила и кресс водяной, уксусная нематода и хлебная плесень также поделились с нами своими секретами. Но история E. coli поразительно и неразрывно переплелась с историей современной биологии. Когда ученые едва ли не до драки спорили по поводу очередного фундаментального вопроса жизни — из чего состоят гены и у всех ли живых организмов есть гены, — то главным свидетелем и экспертом в этих спорах зачастую выступала именно E. coli. Разобравшись, как E. coli обеспечивает свой роскошный рост — как она выживает, питается и размножается, — биологи сделали огромный шаг к пониманию механизма жизни как таковой. В 1969 г. биолог Макс Дельбрюк, получая Нобелевскую премию за открытия, сделанные при изучении вирусов, инфицирующих E. coli, заявил: «Мы можем открытым текстом сказать: “Эта загадка жизни разрешена”».
Единство жизни
Первоначально Эшерих назвал свою бактерию Bacterium coli communis — бактерия толстой кишки обыкновенная. В 1918 г., через семь лет после смерти Эшериха, ученые переименовали бактерию в его честь: Escherichia coli. К моменту получения нового имени бактерия Эшериха успела начать новую жизнь. Уже тогда микробиологи стали миллиардами выращивать ее в своих лабораториях.
В начале XX в. ученые пытались «разобрать» живые клетки на части, чтобы понять, из чего они сделаны и как превращают сырье в живую материю. Одни ученые исследовали клетки мышечной ткани коровы, другие — сперму лосося. Многие работали с бактериями, в том числе и с E. coli. Во всех исследованных живых организмах они обнаруживали один и тот же базовый набор молекул. Основное внимание ученые сосредоточили на белках. Оказалось, что некоторые белки придают живому форму и структуру — это коллаген в коже или кератин в конских копытах. Другие белки, получившие название ферментов, побуждают определенные молекулы вступать в химические реакции. Одни ферменты отщепляют атомы от молекул, другие, наоборот, связывают молекулы друг с другом.
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.
Может быть, биохимические основы и одинаковы у всех живых организмов, но и различия между ними огромны. Самое важное из них — наследственность. В начале XX в. генетики открыли законы, в соответствии с которыми животные, растения и грибы передают потомкам свои гены. Но бактерии, такие как E. coli, казалось, не хотели играть по общим правилам. Более того, на первый взгляд у них вообще не было генов.
Большую часть информации о наследственности генетики в то время получали из лабораторий, наполненных мушками и гнилыми бананами. Томас Хант Морган, биолог из Колумбийского университета, разводил плодовую мушку дрозофилу — Drosophila melanogaster, чтобы выяснить, как родительские признаки передаются потомкам. Морган назвал факторы, определяющие те или иные признаки, генами, хотя о том, что такое на самом деле гены, не имел никакого представления. Он знал, однако, что свои гены потомку передают и мать, и отец, и что иногда ген может не проявиться в первом поколении, но вновь «всплыть на поверхность» в следующем. Он мог скрестить красноглазую мушку с белоглазой и получить целое поколение исключительно красноглазых мушек. Но если он скрещивал этих гибридных мушек между собой, то у некоторых мушек второго поколения вновь появлялись белые глаза.
Морган и его студенты искали в клетках дрозофилы молекулы, которые могли бы иметь какое‑то отношение к этим таинственным генам. Их внимание привлекли странные структуры в ядре клетки — хромосомы. После специальной окраски хромосомы становятся похожи на мятые полосатые чулки. При этом ученые обнаружили, что полоски на хромосомах дрозофилы столь же характерны и уникальны, как и вездесущие ныне штрихкоды. Большая часть хромосом парная, при этом одна хромосома в паре унаследована от матери, другая — от отца. Сравнив их «полоски», Морган и его студенты показали, что от поколения к поколению они могут меняться. В процессе развития половых клеток дрозофилы парные хромосомы подходят друг к другу вплотную и обмениваются сегментами. От того, какие именно сегменты унаследует мушка — потомок, зависит и комбинация генов, которую она получит.
Закономерности наследования выглядели почти как какие‑то математические абстракции. Джордж Бидл, один из аспирантов Моргана, решил вернуть гены с высот абстракции на землю и попытался выяснить в точности, как именно гены определяют цвет волос и другие признаки. Вместе с биохимиком Эдвардом Тейтемом Бидл попытался проследить путь от генов дрозофилы до молекул, из которых состоит окрашивающий ее глаза пигмент. Однако этот эксперимент оказался слишком сложным. Бидл и Тейтем отказались от плодовых мушек в пользу более простого вида — хлебной плесени Neurospora crassa.
Конечно, у хлебной плесени нет таких очевидных признаков, как глаза и крылья; тем не менее она синтезирует многочисленные ферменты, часть из которых отвечает за производство аминокислот. Чтобы посмотреть, каким образом гены плесени управляют синтезом этих ферментов, Бидл и Тейтем подвергали плесень воздействию рентгеновского излучения. Ученые знали, что у личинок мух при подобном воздействии некоторые гены мутируют, и эти мутации приводят к появлению новых признаков — лишних крылышек или другой окраски глаз, которые мутанты могут передавать следующим поколениям.