Карл Циммер - Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
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.
