Текст книги "Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни"
Автор книги: Карл Циммер
Жанры:
Прочая научная литература
,сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 24 страниц) [доступный отрывок для чтения: 9 страниц]
Река, текущая вверх
Внешние барьеры и гены необходимы для жизни, но их одних далеко не достаточно. Поместите ДНК внутрь мембраны – и вы получите лишь пузырек, не имеющий ничего общего с жизнью. Живые существа должны поглощать молекулы разных веществ и энергию и превращать их в живую материю. Им необходим обмен веществ, или метаболизм.
Метаболизм построен из сотен химических реакций. Каждая из них по отдельности может быть очень проста. К примеру, какой‑нибудь фермент отнимает атом водорода у определенной молекулы. Но затем эту молекулу захватывает другой фермент, с помощью которого с ней происходят те или иные превращения, а дальше она включается в цепь все усложняющихся реакций: они могут пересекаться с другими цепями, ветвиться, замыкаться в кольцо. Первым живым существом, в чьем метаболизме ученым удалось разобраться до тонкостей, была E. coli.
На это у них ушла большая часть XX в. Они кормили бактерию радиоактивной пищей, чтобы затем отслеживать, какими путями в бактериальной клетке происходит движение атомов от молекулы к молекуле. Это была долгая и трудная работа. После того как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК, их фотография появилась в журнале L ife:двое ученых, а между ними возвышался скелет молекулы ДНК. Фотографии исследователей, общими усилиями создавших схему метаболизма E. coli,не существует. Кроме того, подобная фотография в любом случае получилась бы неудачной: несколько сотен человек вокруг одной диаграммы, исчерченной множеством стрелок и напоминающей спутанный клок кошачьей шерсти. Но тот, кто умеет читать подобные диаграммы, увидит в метаболизме E. coliскрытую элегантность.
Метаболические реакции в клетках E. coliпротекают не спонтанно – точно так же, как яйцо не варит себя само. На соединение атомов, как и на их разделение, требуется энергия. E. coliполучает ее двумя способами. Во – первых, она умеет использовать мембраны как своего рода аккумулятор, во – вторых, извлекает энергию из пищи.
Среди мембранных канальцев у E. coliесть такие, которые выкачивают из микроорганизма положительно заряженные ионы водорода – протоны. По мере снижения концентрации протонов бактерия приобретает отрицательный заряд, притягивая находящиеся поблизости положительно заряженные частицы, которые проникают внутрь клетки через специальные канальцы, способные извлекать энергию из движения частиц. В сущности, эти частицы работают, как вода, вращающая мельничное колесо, но их действие основано на электрическом принципе. E. coliзапасает извлеченную энергию в химических связях молекулы аденозинтрифосфата, или сокращенно АТФ.
Молекулы АТФ, плавающие в клетках E. coli,работают как своеобразные батарейки. Когда ферментам E. coliтребуется дополнительная энергия для проведения той или иной реакции, они извлекают ее из АТФ. Последняя запасает энергию в межатомных связях. E. coliиспользует энергию, полученную с помощью мембранного аккумулятора, чтобы выделить больше энергии из пищи. При помощи АТФ ферменты бактерии могут расщеплять сахара, разрушая связи между атомами; полученная энергия откладывается опять же в молекулах АТФ, число которых увеличивается. E. coliне высвобождает сразу всю энергию, содержащуюся в молекуле сахара, – ведь в этом случае большая часть ее ушла бы в тепло и пропала зря. Вместо того чтобы устраивать из сахаров энергетический фейерверк, E. coliточными хирургическими движениями «отрезает» кусочек за кусочком – так, чтобы высвободившуюся за один раз энергию можно было захватить и запасти в молекулах АТФ на будущее.
Часть получаемой энергии E. coliиспользует для строительства новых молекул. Помимо основного топлива – сахаров – ей требуются некоторые минералы. Каждого из них нужно чуть – чуть, но, чтобы добыть это ничтожное количество, бактерии приходится трудиться изо всех сил. Без железа, к примеру, E. coliжить не может, но железо – весьма дефицитный товар. Добыть его для E. coliочень непросто. В организме хозяина железо не валяется где попало – оно надежно спрятано внутри клеток, а то небольшое количество, что остается, обычно находится в связанном виде в молекулах, откуда его не так‑то просто извлечь. Чтобы обеспечить себе достаточное для выживания количество железа, E. coliприходится сражаться за него, строить специальные молекулы для его ловли – сидерофоры [7]7
Сидерофоры (греч. sideros – железо и phoros – несущий) – синтезируемые многими микроорганизмами низкомолекулярные вещества разной химической структуры, которые эффективно связывают железо. – Прим. ред.
[Закрыть]– и выпускать их в окружающую среду. Находясь в свободном плавании, сидерофор иногда натыкается на железосодержащие молекулы. Он вытаскивает атом железа из молекулы и спешит вернуться в бактериальную клетку, воспользовавшись специальными канальцами. По такому канальцу в бактерию может пройти только сидерофор, причем с добычей – без атома железа обратный вход для него закрыт. Оказавшись внутри, сидерофор высвобождает свое сокровище.
Но железо, хотя и необходимо E. coliдля жизни, одновременно может нести в себе опасность. Так, свободный атом железа, оказавшись внутри бактериальной клетки, может стать причиной образования перекиси водорода, а та, в свою очередь, атакует ДНК хозяйки. E. coliприходится защищать себя от такого варианта развития событий; для этого у нее есть белки, которые хватают железо сразу же по прибытии и прячут его в глубокие «карманы». Одна – единственная молекула такого белка может нести на себе 5000 атомов железа – и выдавать их по одному по мере надобности.
Железо – не единственная опасность, которой подвергает E. coliее обмен веществ. Даже белки, которые бактерия создает сама, могут приобрести свойства токсинов. Воздействие кислот, радиоактивного излучения и других повреждающих факторов легко деформирует белок, лишив его способности правильно работать. Поврежденные молекулы вносят хаос в работу прекрасно отлаженного конвейера химических процессов, от которых зависит выживание E. coli.Такие поврежденные белки могут даже нападать на другие, нормальные белки. Защищаясь от самой себя, E. coliсоздает команду убийц – белков, единственной задачей которых является уничтожение старых белков. Белковая молекула, разрезанная на аминокислоты, становится источником сырья для строительства новых белков. Жизнь и смерть, питательные вещества и отравляющие вещества – все в клетке E. coliбалансирует в тонком равновесии.
Кишечная палочка E. coliжонглирует железом, добывает энергию, перерабатывает сахара и другое сырье в сложные молекулы и даже создает собственные копии – и тем самым попирает, на первый взгляд, законы Вселенной. 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.
Однако все не так страшно, и E. coliсовсем не такая бунтарка, как может показаться. Она ведь живет не в изоляции от остальной Вселенной. Да, E. coliдействительно снижает свою энтропию, но только за счет получения энергии извне. Упорядочивая себя, она увеличивает энтропию Вселенной за счет выделяемого тепла и отходов. Если аккуратно все посчитать, получится, что E. coliповышает энтропию, но сама умудряется при этом всегда оставаться на плаву.
Можно сказать, что метаболизм E. coliв определенном смысле символизирует жизнь в целом. Если разобраться, большинство живых существ получает энергию от солнца. Растения и фотосинтезирующие микроорганизмы поглощают свет и используют его энергию для роста. Представители других видов поедают тех, чье питание основано на фотосинтезе, а третьи виды, в свою очередь, поедают вторых. E. coliв этой пищевой пирамиде располагается относительно высоко и расщепляет готовые сахара, которые производят другие организмы. Саму ее, в свою очередь, тоже съедают, и ее молекулы становятся частью организма хищной бактерии, которую тоже кто‑нибудь съест. Потоки энергии порождают леса и другие экосистемы, и все они «сбрасывают» энтропию вовне, в остальную Вселенную. Солнечный свет попадает на планету, тепло излучается в пространство, и полная жизни планета – этакая Земля E. coli– поддерживает в этом потоке свое существование.
Куда же плыть?
Список необходимых для жизни условий все удлиняется. Живое существо хранит информацию в генах. Оно нуждается в защитных барьерах, чтобы сохранять жизнь и запасать энергию для добывания пищи, которая пойдет на строительство новой живой материи. Но если живое существо не сможет добыть пищу, долго оно не проживет. Все живое должно двигаться – лететь, ползти, плыть по течению, пускать усики вверх по водосточной трубе. А чтобы быть уверенными, что движение идет в правильном направлении, большинство живых существ должно решить, куда двигаться.
Разумеется, человек использует для принятия этого решения те миллиарды нейронов, которые находятся в головном мозге. Чувства поставляют мозгу реки информации, а мозг отзывается на них управляющими сигналами, которые контролируют движение тела. С другой стороны, у E. coliнет мозга. У нее вообще нет нервной системы. Мало того, E. coliв несколько тысяч раз меньше по размеру, чем любая нервная клетка человеческого организма. Тем не менее крошечные размеры не мешают ей воспринимать окружающий мир. Она способна собирать информацию и вырабатывать решения: например, решать, куда двигаться.
E. coliплавает, как неуклюжая подводная лодка. По сторонам ее вытянутого тела имеется с полдюжины пропеллеров. По внешнему виду каждый из них напоминает не корабельный винт, а скорее, длинный кнут, тянущийся за бактерией. У основания каждого хвостика (или жгутика, как их называют микробиологи) располагается гибкий крюк, прикрепленный к мотору. Мотор представляет собой скопление белковых молекул в виде колеса; он способен вращаться со скоростью 250 оборотов в секунду, а топливом ему служат протоны, попадающие внутрь бактериальной клетки через особые поры в этом механизме. Каждый жгутик состоит из одинаковых субъединиц – молекул белка флагеллина, уложенных по спирали вокруг полой сердцевины.
Жгутик E. coliвращается с помощью белкового мотора, вмонтированного в клеточную оболочку
Большую часть времени моторы E. coliвращаются против часовой стрелки; при этом все жгутики скручиваются в единый кабель – жгут, который тянется позади бактерии. Скручиваются они очень аккуратно, потому что каждый жгутик слегка закручен в нужном направлении; они складываются, как полосы на спирально окрашенном столбе. Вращаясь вместе, жгутики отталкиваются от окружающей жидкости и гонят бактерию вперед.
E. coliспособна проплыть за секунду расстояние, в десять раз превышающее длину ее тела. Отметим, что самый быстрый пловец – человек проплывает за секунду всего лишь две своих длины. А ведь E. coliприходится преодолевать дополнительные трудности, потому что в микромире вода ведет себя совершенно иначе с точки зрения физических законов, чем в нашем привычном мире. E. coliвода представляется вязкой, как нефть. Прекратив усилия, она останавливается за миллионную долю секунды. Никакой инерции, никакого движения вперед. E. coliостанавливается не то что на том же шаге, но буквально на том же атоме.
Примерно раз в секунду E. coliпереводит свои моторы на реверсивный ход и совершает кульбит. Когда моторы вращаются по часовой стрелке, жгутики уже не могут удобно свернуться спиралью. Теперь спиральный изгиб, наоборот, заставляет их растопыриться и, образно говоря, встать дыбом. Такой кульбит длится около десятой доли секунды, затем E. coliвновь меняет направление вращения своего мотора на первоначальное – по часовой стрелке. Жгутики вновь удобно сворачиваются, и бактерия плывет дальше.
Первым ученым, кто как следует изучил механизм движения E. coli,стал Говард Берг, биофизик из Гарварда. В начале 1970–х гг. Берг построил микроскоп, способный отслеживать движение единичной E. coliв капле воды. После каждого кульбита ориентация тела и, соответственно, направление движения палочки менялись случайным образом. Берг зарисовал траекторию движения одного микроорганизма в течение нескольких минут и получил на листе каляку – маляку; наверное, так мог бы выглядеть клубок пряжи в невесомости. Непрерывно работая жгутиком, E. coliвсе это время оставалась в пределах крошечного пространства и никуда особенно не продвигалась.
Но стоит бактерии почувствовать что‑то интересное, как она устремится в заданном направлении. Способность E. coliориентироваться в пространстве достойна удивления – ведь у нее так мало возможностей. У нее нет ни колес, ни крыльев; все, что она способна делать, – это плыть прямо или кувыркаться. К тому же она получает так мало информации об окружающей среде! E. coliне может воспользоваться атласом, посмотреть или прислушаться; она способна лишь почувствовать молекулы, на которые случайно наткнулась в своих странствиях. Зато уж эти ограниченные возможности бактерия использует на полную катушку. Опираясь на несколько простых и элегантных правил, E. coliвсегда попадает туда, куда ей нужно попасть.
У E. coliесть мембранные рецепторы, внешние концы которых торчат наружу, как перископы у подводной лодки. На переднем конце бактерии сосредоточено несколько тысяч таких рецепторов; они служат ей в качестве своеобразного «языка». Эти рецепторы делятся на пять разных типов, каждый из которых связывает определенные молекулы. Некоторые молекулы привлекают E. coli,другие внушают отвращение. Привлекательная молекула (например, аминокислота серин) запускает внутри микроорганизма последовательность химических реакций с простым результатом: E. coliувеличивает промежуток направленного движения между кульбитами. До тех пор пока концентрация серина в окружающей жидкости растет, E. coliпродолжает делать более длинные заплывы и реже менять направление. Если очередной кульбит направит бактерию прочь от источника серина, участки ее прямолинейного движения сразу же станут короче. Этого простого принципа достаточно, чтобы E. coliмедленно, но верно продвигалась к точке максимальной концентрации серина. Добравшись до места, она там и остается, вновь вернувшись к бесцельному кувырканию.
Ученые начали разбираться в способе восприятия и движения E. coliв 1960–е гг. Этот микроорганизм был выбран из‑за своей простоты: исследователям казалось, что и разобраться в нем будет несложно. В конце концов, работу белков в лабораториях мира уже 20 лет изучали на всевозможных мутантных штаммах E. coli.А разобравшись с обработкой информации у E. coli,можно будет переходить к более сложным системам обработки информации, включая и человеческий мозг. Сегодня, более 40 лет спустя, ученые понимают сигнальную систему E. coliлучше, чем любого другого биологического вида, но эта работа еще далеко не закончена. Некоторые части этой системы действительно оказались несложными. Так, E. coliне нужно рассчитывать фигуры высшего пилотажа, всякие бочки и штопоры. Ее простая стратегия (движение – кульбит) работает очень хорошо. Может быть, не каждая кишечная палочка попадет в точности туда, куда ей нужно, но многие попадут – и именно эти микроорганизмы выживут и оставят потомство (а значит, передадут отпрыскам стратегию движение – кульбит). Это все, что на самом деле нужно бактерии.
Тем не менее некоторые важные аспекты навигационной системы E. coliпока не поддаются расшифровке. «Язык» микроорганизма способен различать крохотную разницу в концентрации интересующих E. coliмолекул – вплоть до одной тысячной. Бактерия умеет усиливать сигналы – каким образом, ученые до сих пор не поняли. Возможно, рецепторы E. coliработают согласованно: один из них, поворачиваясь, заставляет повернуться и соседние. Не исключено, что бактерия умеет анализировать одновременно различные потоки информации: ага, концентрация кислорода быстро растет, никеля – снижается, чуть потянуло глюкозой. Вообще, со временем может оказаться, что набор рецепторов у E. coli– не просто своеобразный бактериальный «язык»; может быть, лучше было бы назвать его мозгом.
Миф о спутанных макаронах
Сложный чувствительный «язык» E. coliне слишком хорошо согласуется с традиционными представлениями о бактериях как примитивных и простых существах. Еще в середине XX в. бактерии сохраняли репутацию примитивных живых организмов, реликтов ранних этапов эволюции жизни. Считалось, что это всего лишь мешочки с ферментами и некоторым количеством ДНК, плавающей внутри подобно комку спутанных макарон. Их противопоставляли так называемым «высшим» организмам (животным, растениям, грибам), клетки которых удивительно организованы – ДНК в них аккуратно намотана на белковые катушки (каждая молекула ДНК намотана на множество маленьких катушек) и скомпонована в хромосомы, а хромосомы заключены в ядро. В этих клетках есть и другие отделы со своими функциями, такими как производство энергии или внесение последних штрихов при строительстве белковых молекул. Кроме того, эти клетки обладают собственным скелетом, состоящим из сети перекрещивающихся волокон.
Контраст между двумя видами клеток – неупорядоченными и хорошо организованными – был так силен, что в середине 1900–х гг. ученые именно по этому признаку разделили живые организмы на две большие группы. Все биологические виды, в клетках которых имеются ядра, стали называть эукариотами, что в переводе с греческого означает «истинное ядро». Все остальные виды, включая E. coli,назвали прокариотами. Подразумевалось, что до появления настоящего ядра существовали только прокариоты – примитивные и неорганизованные, а эукариот эволюция создала позже, привнеся тем самым порядок в окружающий нас мир.
Надо сказать, что такой подход несет в себе зерно истины. Общий предок всех живых организмов почти наверняка не имел клеточного ядра и, вероятно, выглядел примерно как сегодняшние прокариоты. Эукариоты отделились от прокариот более 3 млрд лет назад, но ядро и остальные отличительные признаки приобрели позже. Однако на самом деле разница между прокариотами и эукариотами не так велика, как представляется на первый взгляд. Просто организованность эукариот бросается в глаза. В человеческой клетке можно без труда увидеть хромосомы, замысловатые изгибы аппарата Гольджи и похожие на сардельки митохондрии. География такой клетки очевидна. Но оказывается, у прокариот тоже есть своя география. Они содержат молекулы в строгом порядке, но ученые лишь недавно начали потихоньку узнавать этот тайный порядок.
И, как обычно, многие открытия связаны с E. coli.Кишечной палочке и другим микроорганизмам, чтобы выжить, необходимо решить множество сложнейших проблем, но самая серьезная из них – поддержание порядка в собственной ДНК. Дело в том, что хромосома E. coliв тысячу раз длиннее самой бактерии. Если просто засунуть ее внутрь бактерии, то двойная спираль молекулы ДНК скрутится в кошмарный клубок, как спутанная бечевка. Ферменты, считывающие гены, не смогут разобраться в такой путанице, не найдут там ни начала, ни конца. Они даже не смогут связаться с цепочкой ДНК для производства новых белков.
Существует и другая причина, по которой E. coliдолжна уделять своей ДНК особое внимание: эта молекула очень уязвима. Когда бактерия превращает пищу в энергию, среди отходов встречаются и заряженные атомы, которые вполне способны столкнуться с ДНК и выбить кусочек, оставив разрыв в одной из нитей. В образовавшийся разрыв притягиваются молекулы воды, которые, в свою очередь, могут разрушить связи между двумя нитями и разделить молекулу надвое, как застежку – молнию.
Лишь сравнительно недавно ученые начали понимать, как организована ДНК E. coli.Эксперименты показали, что ее хромосома свернута в сотни петель и скреплена при помощи особых белковых структур, которые работают наподобие «прищепок». Каждая петля закручена сама на себя, но «прищепки» не дают скрутиться остальной части хромосомы. Когда у E. coliвозникает необходимость прочесть какой‑то конкретный ген, к нужному участку направляется группа белковых молекул. Одни белки разделяют нити ДНК, позволяя другим пройти вдоль одной из нитей и синтезировать РНК – копию гена. Третьи при этом удерживают каждую из нитей и не дают им скрутиться и спутаться во время копирования. Как только молекула РНК синтезирована, нити ДНК вновь смыкаются.
При размножении E. coliсталкивается с куда более серьезными проблемами. При делении бактерия должна создать копию своей ДНК – реплицировать ее, после чего получившиеся хромосомы расходятся в разные концы клетки, – и разделиться на две дочерние клетки. E. coliспособна проделать все перечисленное с идеальной точностью всего за 20 минут.
Первый шаг в создании новой E. coli– копирование более чем миллиона пар нуклеотидов, составляющих молекулу ДНК, – начинается, когда два десятка различных ферментов сходятся к одной точке хромосомы бактерии. Одни ферменты разделяют на небольшом участке нити ДНК, другие не дают им вновь соединиться, пока репликация этого участка не закончится. Две группы ферментов [8]8
ДНК – полимеразы. – Прим. ред.
[Закрыть]начинают двигаться вдоль каждой нити, строя рядом со старой новую, с комплементарными нуклеотидами. Сзади них нити ДНК вновь смыкаются. Такая группа может достраивать к нити ДНК около 1500 новых нуклеотидов в секунду. Время от времени на пути группы встречаются «прищепки», которые удерживают нить и не дают ей скручиваться. Ученые подозревают, что каждая «прищепка» должна каким‑то образом раскрыться, чтобы пропустить через себя группу реплицирующих ферментов, а затем сомкнуться вновь. Иногда ферменты, участвующие в репликации ДНК, встречаются с другой группой ферментов [9]9
РНК – полимеразы. – Прим. ред.
[Закрыть], занятой синтезом РНК для производства белков, и вынуждены ждать, пока процесс будет закончен. Лишь после этого они возобновляют свою работу. Несмотря на все препятствия, группы ферментов, синтезирующие ДНК, работают не только быстро, но и необычайно точно. Допустимое для них число ошибок чрезвычайно мало.
Ферменты копируют ДНК, и постепенно на месте одной появляется две хромосомы. Формирующиеся молекулы все время остаются связанными, как звенья одной цепочки. Потом специальный фермент [10]10
Топоизомераза. – Прим. ред.
[Закрыть]разъединяет кольцевые хромосомы, которые сразу же начинают расходиться в разные концы клетки. Ученые сегодня много знают о том, как у E. coliпроисходит репликация ДНК, но по – прежнему не пришли к единому мнению по поводу того, каким образом двигаются ее хромосомы. В последнее время показано, что это активный процесс, в котором принимают участие несколько групп специальных белков. После расхождения хромосом E. coliможет начать процесс деления клетки.
Следует заметить, что бактерия должна разделиться очень точно как в пространстве, так и во времени. Если начать процесс деления прежде, чем разойдутся хромосомы, ДНК тоже окажется разделена. Если деление произойдет слишком близко к какому‑то из концов, то один потомок E. coliокажется обладателем пары хромосом, а второму хромосом вообще не достанется. Подобных катастроф практически не случается. E. coli,как правило, всегда делится почти точно посередине – и почти всегда в тот момент, когда две только что сформированные хромосомы успели разойтись в разные концы.
Чтобы этот точно выверенный танец прошел без сбоев, нужна согласованная работа нескольких типов белков. Ключевой белок деления у большинства бактерий – белок FtsZ. Когда E. coliготова к делению, происходит полимеризация FtsZ, молекулы которого выстраиваются в кольцо вдоль внутренней цитоплазматической мембраны примерно посередине бактериальной клетки. Кольцо из полимеризовавшегося FtsZ – Z – кольцо – заякоривается на мембране при помощи «вспомогательных» белков и начинает постепенно сжиматься, образуя перетяжку; в результате формируются две дочерние клетки.
Выстраивая кольцо посередине клетки, белок FtsZ не пользуется картой бактерии и не измеряет ее линейкой. Полимеризоваться именно в середине бактериальной клетки FtsZ вынуждают белки системы Min – D, С и Е. Они не дают FtsZ полимеризоваться там, где не надо.
Ингибитором полимеризации FtsZ служит белок MinC. Но активируется он, только связавшись с белком MinD. Белок MinD может прикрепляться к мембране на полюсах клетки, где он полимеризуется и связывается с MinC, что приводит к деполимеризации FtsZ вблизи полюсов клетки. Белок MinE тоже полимеризуется вблизи полюсов клетки в виде так называемого Е – кольца и препятствует формированию комплекса MinD/C. Стоит комплексу MinD/C разрушиться, как MinC инактивируется и не может препятствовать полимеризации FtsZ. Таким образом, MinE препятствует формированию комплекса MinD/C в центральной части. Поэтому только в центральной части клетки у FtsZ есть шанс сформировать кольцо.
Но даже там формирование кольца большую часть времени блокируется хромосомой и сопутствующими ей белками. Только после того, как завершится репликация хромосомы и две ее копии разойдутся из середины клетки к краям, там образуется достаточно свободного места, чтобы молекулы FtsZ могли закрепиться и начать деление микроорганизма надвое.
Может быть, клетка E. coliи не обладает такой очевидной структурой, как клетки эукариот, но своя структура у нее имеется. Это география ритмов, карта течений.
