Карл Циммер - Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
В 2005 г. микробиолог из Университета Джорджии Энн Саммерс с коллегами пустила в оборот новый термин для эволюции, главной движущей силой которой служит горизонтальный перенос генов: она назвала это явление эволюцией с открытым кодом. Вертикальный перенос генов и естественный отбор работают примерно как корпоративная команда разработчиков программ; подробности их нововведений скрыты от общества. Горизонтальный перенос генов позволяет E. coli захватывать кусочки программного кода и тестировать их в своей операционной системе. В некоторых случаях новая комбинация означает катастрофу для организма. Программа отказывает, и организм погибает. Но в других случаях дальнейшая тонкая настройка, которую проводит естественный отбор, позволяет новому сочетанию генов работать — и не просто работать, а работать хорошо. Позже этот улучшенный кусочек может попасть в геном еще какого‑нибудь организма и совершенствоваться дальше.
Если судить по E. coli, у движения за открытый код блестящее будущее.
Откуда берутся убийцы
Наряду с множеством усовершенствований для человека эволюция с открытым кодом означает множество новых болезней. Когда Киёси Сига открыл шигеллу, он считал ее отдельным видом, и несколько поколений ученых после него также рассматривали эту бактерию как отдельный вид. Только в 1990–е гг., начав разбираться в геноме, исследователи поняли, что на самом деле шигелла — всего лишь особенно зловредная для человека форма E. coli. Детальное сравнение показало, что шигелла — это множество различных штаммов, причем многие из них ближе к безобидным штаммам E. coli, чем к своим собратьям, другим штаммам шигеллы. Иными словами, Shigella не является биологическим видом. Это даже не штамм. Это, скорее, форма существования, к которой пришли несколько отдельных линий E. coli.
Как правило, штаммы шигеллы стали результатом развития менее изощренных паразитов. Их предки закреплялись на поверхности клеток кишечного эпителия и вводили внутрь клетки — хозяина химические вещества, которые заставляли ее выпустить наружу часть содержимого. (Многие штаммы E. coli и сегодня ведут примерно такой образ жизни.) Со временем предки шигеллы обзавелись новыми генами, которые позволили им внедряться в клетки и двигаться внутри них, избегая таким образом внимания иммунной системы и манипулируя ею. Все эти инновации появились не одномоментно и не у одной линии E. coli. Это происходило много раз.
Следует заметить, что для шигеллы важны не только те гены, которые она приобрела в процессе эволюции, но и те, что потеряла. К примеру, жгутики, конечно, прекрасно подходят для путешествия по кишечнику, но бесполезны внутри клетки — хозяина. В результате ни один из штаммов шигеллы не умеет образовывать жгутики, хотя у них и сохранились блокированные версии необходимых для этого генов. Кроме того, у шигеллы имеются блокированные гены для расщепления лактозы и других сахаров, которыми она давно уже не питается. Отказалась она и от фермента под названием кадаверин, который другие штаммы E. coli производят для защиты от кислоты. (Другие бактерии производят эту отвратительно пахнущую субстанцию при питании тканями трупа — отсюда и название.) Для шигеллы кадаверин попросту вреден, потому что он замедляет миграцию иммунных клеток сквозь стенку кишечника. Шигелла же заинтересована в миграции этих клеток — ведь через проходы, открываемые иммунными клетками, она проникает в ткани кишечника, где и внедряется в клетки. В результате у всех штаммов шигеллы один из генов, необходимых для синтеза кадаверина, отключен.
Другие штаммы E. coli произвели на свет целый набор патогенных микроорганизмов, и их геномы до сих пор несут следы этой трансформации. Горизонтальный перенос, потеря генов и естественный отбор тоже сыграли свою роль в этих процессах. Ученые, изучающие E. coli 0157: Н7 — штамм, которым человек может заразиться, съев, к примеру, загрязненные шпинат или гамбургер, — восстановили эволюцию этой бактерии практически шаг за шагом. Ее предки были далеко не так патогенны, но около 55000 лет назад они были инфицированы целым набором вирусов, каждый из которых добавил новое оружие к арсеналу бактерии. К примеру, ген, кодирующий сильнодействующий токсин, который делает штамм E. coli 0157: Н7 столь опасным, располагается между генами вируса. Этот вирус встроился в геном E. coli совсем недавно, поэтому он все еще производит новые вирусы, которые способны покидать бактериальную клетку.
Однако ученые, исследующие E. coli 0157: Н7, столкнулись со странным парадоксом. Другие болезнетворные штаммы E. coli, такие как Shigella, очень хорошо адаптированы к жизни в организме человека и редко обнаруживаются в организме других видов. Но с E. coli 0157: Н7 все наоборот. В организме человека она появляется редко (за что мы определенно можем быть ей благодарны), зато прекрасно себя чувствует в кишечнике коров и других домашних животных. Для нас она может оказаться смертельной, им же не наносит никакого вреда. Иными словами, к этим животным она адаптирована как безвредный жилец — нахлебник. Тот факт, что токсины E. coli 0157: Н7 вызывают у человека смертельно опасную болезнь, — всего лишь эволюционная случайность, ведь мы не являемся для нее обычными хозяевами.
Но если E. coli 0157: Н7 производит токсины не для того, чтобы использовать нас, то зачем она вообще носит в себе эти гены? Исследователи предположили, что бактерия вырабатывает этот токсин, чтобы помочь животному- хозяину. Ученые из Университета Айдахо обнаружили, что овцы, инфицированные E. coli 0157: Н7, лучше противостоят вызывающим рак вирусам, чем овцы без этого штамма. Может быть, E. coli 0157: Н7 стимулирует иммунную систему овец, а может, даже вызывает самоубийство клеток, зараженных канцерогенным вирусом, прежде чем они успевают образовать опухоль. Но возможно, что этот токсин — средство защиты самой бактерии. Может быть, при атаке простейших на колонию E. coli именно тем, кто вырабатывает этот токсин, удается отбиться от хищников.
Хотя E. coli 0157: Н7, возможно, приспосабливалась в ходе эволюции не к человеческому телу свою роль в преуспевании этого штамма человек все же сыграл. Исследования генома E. coli 0157: Н7 показывают, что это очень молодая эволюционная ветвь: всем ее наиболее распространенным формам меньше тысячи лет. Ученые полагают, что человек, одомашнив животных, создал идеальные условия для процветания E. coli 0157: Н7. Хозяева этой бактерии большую часть года стали проводить в большой скученности на фермах; там у E. coli, которую они выделяли с экскрементами, были гораздо лучшие шансы найти себе нового хозяина, чем если бы те же коровы обитали в дикой природе. В последние несколько столетий с увеличением поголовья скота произошел резкий рост численности E. coli 0157: Н7: сначала при появлении коров в Новом Свете и позже, когда началось промышленное разведение скота и в одном помещении стали содержать большое число животных. При этом бактерия благодаря нашим усилиям не просто размножилась и распространилась — не исключено, что она стала эволюционировать быстрее, потому что вирусы тоже получили возможность путешествовать от бактерии к бактерии, порождая все новые варианты штамма E. coli 0157: Н7.
Но эволюция E. coli — это не дорога в один конец, на которой безвредная бактерия неизбежно превращается в смертельно опасного паразита. Некоторые из самых смирных штаммов E. coli, наоборот, произошли от ее патогенных разновидностей. Один из таких штаммов — АО 34/86 — защищает хозяина от бактерий, вызывающих диарею. Врачи иногда прописывают его недоношенным детям, чтобы защитить их недоразвитый кишечник. В 2005 г. ученые опубликовали расшифровку генома штамма АО 34/86. Они обнаружили гены, отвечающие за синтез убивающих клетку факторов, белков, вызывающих кровотечения, и других видов оружия, которые активно используют 0157: Н7 и прочие смертельно опасные штаммы. Судя по всему, АО 34/86 использует все свои темные возможности нам во благо: он основывает колонии в кишечнике младенца и таким образом лишает болезнетворные штаммы возможности найти место для поселения. Мы, конечно, можем попытаться разграничить природное разнообразие и четко разделить E. coli на убийц и защитников. Но эволюция не склонна к однозначности и всегда размывает границы.
Одна жизнь, множество хозяев
Еще один пример размывания границ — тот рубеж, который пролегает между E. coli и инфицирующим ее вирусом. Эта граница кажется очевидной, когда видишь, как из лопнувшей оболочки E. coli выходят наружу сотни вирусов, чтобы заразить нового хозяина. В такой ситуации легко думать о них как о двух отдельных организмах. Но взаимоотношения E. coli с вирусами гораздо сложнее и многограннее. К примеру, умеренные бактериофаги могут, по крайней мере на время, встраиваться в хромосому микроорганизма. Но и здесь вирус еще держится за собственную идентичность. Он способен ощутить, когда хозяин начинает плохо себя чувствовать, и как раз в этот момент возвращается к привычной форме вируса- убийцы. А есть вирусы, которые тащат с собой груз генов, приносящих пользу хозяину, но бесполезных для них самих. Когда они встраиваются в геном E. coli, трудно определить, где кончается геном вируса и начинается геном хозяина. Некоторые вирусы оказываются пойманными в ловушку, навеки встроившись в геном E. coli благодаря мутациям, которые лишают их способности собирать новые вирусные частицы. Со временем мутационный процесс может привести к утрате большей части вирусной ДНК. Нетронутыми остаются лишь те гены, которые приносят хозяину пользу. Теперь с вирусами их связывает только происхождение.
