Текст книги "Путешествие в страну микробов"

Автор книги: Владимир Бетина

сообщить о нарушении

Текущая страница: 17 (всего у книги 31 страниц)

Микробы и мутации

Рассказ о трансформации, трансдукции и конъюгации должен был убедить читателя, что микроорганизмы действительно могут изменять свою природу. Во всех рассмотренных случаях микробиологи использовали влияние генетического материала (ДНК) одних микробов на наследственные свойства других.

А теперь познакомимся с некоторыми примерами наследственных изменений, которые мы можем получить у микроорганизмов в лаборатории или же наблюдать в природе. Резкое, передаваемое по наследству изменение какого-нибудь свойства организмов называется мутацией. Современная биология накопила уже немало примеров внезапных (в масштабе одного поколения) изменений некоторых признаков растений, животных или микробов, которые наследуются следующими поколениями.

Мутации в природе возникают спонтанно («сами собой») или могут быть вызваны действием так называемых мутагенных факторов, к которым относятся некоторые химические вещества и различные формы излучений (ультрафиолетовое, рентгеновское или радиоактивное). Теперь для нас уже не является неожиданностью, когда какие-нибудь мутагенные факторы затрагивают генетический аппарат клетки и вызывают структурные изменения хромосом или влияют на молекулы ДНК в генах.

Схема Жакоба – Вольмана, показывающая последовательность перемещения генов из мужских клеток (правая о каждой паре) в женские во время конъюгации, которая продолжается 35 мин.

Первые статистически достоверные сведения о «химических» последствиях мутаций дали, как и следовало ожидать, микроорганизмы. На этот раз микробиологи избрали в качестве подопытного организма не бактерии, а более сложные в биологическом отношении микроскопические грибы – Neurospora crassa. Известно, что этот гриб для синтеза составных частей своей клетки не требует никаких ростовых веществ (аминокислот, витаминов), так как сам образует их (за исключением биотина) из простых органических соединений. Остальные биогенные вещества он способен ассимилировать в виде минеральных солей (биотин все же добавляют в питательную среду). Если споры этого гриба облучить рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами и посеять на оптимальную для них питательную среду, они не прорастают и грибы, следовательно, не размножаются. При выяснении причин этого явления было установлено, что культура облученных спор уже нуждается в присутствии ростовых веществ. Таким образом, в результате облучения спор этого гриба была вызвана рецессивная мутация: N. crassa потеряла способность синтезировать необходимые ростовые вещества из простых соединений.

Нейроспора в настоящее время является классическим объектом микробиологической генетики, к которому постепенно присоединяется ряд других организмов. Мутации не только используются для изучения многих вопросов генетики, они служат также и промышленным целям. В пятой части нашей книги читатель узнает, каким образом микробиологи при помощи мутагенных факторов «принуждают» микробы, образующие пенициллин и другие антибиотики, повысить свою продуктивность. Если раньше Penicillium chrysogenum синтезировал на каждый миллилитр питательной жидкости только 5—10 единиц пенициллина, то сейчас его потомки производят до 10 и даже до 15 тысяч единиц.

При изучении мутаций удобным объектом могут быть и бактерии. За первые исследования в этой области, равно как и за изучение бактериофагов, в 1969 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили три американских микробиолога – С. Лурия, М. Дельбрюк и А. Херши.

Дельбрюк был сначала физиком, но его всегда привлекала биология, в частности бактериофаги; именно на этом поприще он и познакомился с Лурия. Херши вместе с Мартой Чейз доказал, что инфекционным началом бактериофагов является нуклеиновая кислота, а не белок.

Лурия известен своим высказыванием о том, что «вирусы – это паразиты на генетическом уровне». Вместе с Дельбрюком он создал метод, известный под названием «флюктуационный тест». При помощи этого метода изучали мутации на бактериях Escherichia coli, которые в послевоенные годы были излюбленным объектом ученых. Своим флюктуационным тестом они доказали, что приобретенная бактериями устойчивость к бактериофагам связана с мутациями. При встрече с устойчивой клеткой бактериофаг терпит поражение, а клетка остается живой. Но таких «удачливых» бактерий бывает чрезвычайно мало – из 300 миллионов делящихся бактерий только одна-единственная может иметь шанс приобрести устойчивость к бактериофагам путем мутации!

Какова же генетическая сущность мутаций? Как генетикам удается разгадывать подоплеку этих явлений? Ведь даже изучение таких, казалось бы, простых организмов, как нейроспора, – очень трудная задача. Было бы значительно легче, если бы в нашем распоряжении имелись какие-то несложные «модели генетического материала» вроде комбинации нуклеиновой кислоты и белка, что-то подобное гену, который способен к «самовоспроизводству» и подвержен мутациям. Могут ли биологические объекты представить нам такую модель? Да, могут – такими моделями могли бы быть вирусы. Они отвечают всем этим требованиям.

ВТМ помогает изучать мутации

Вирус табачной мозаики, который уже не раз помогал нам разгадать многие загадки жизни, предлагается и в качестве модели для изучения мутаций. ВТМ содержит рибонуклеиновую кислоту, которая, как мы увидим далее, выполняет ту самую генетическую роль, которую у других вирусов и живых клеток выполняет ДНК.

В Лаборатории вирусов Калифорнийского университета было положено начало изучению ВТМ; в распоряжении ученых имеется не только «нормальный» ВТМ, но и его мутанты, возникшие в результате происходящих в природе мутаций. Эти мутанты отличаются от нормального ВТМ симптомами вызываемого ими на листьях табака заболевания.

ВТМ и его мутанты послужили хорошими объектами при изучении химической природы мутаций. Сотрудники лаборатории сравнили прежде всего белковую часть ВТМ и мутанта, обозначаемого шифром J14D1. При изучении их белковых субъединиц, состоящих, как мы знаем, из 158 аминокислотных остатков, было обнаружено, что участие отдельных аминокислот неодинаково. Субъединицы мутанта J14D1 имели на одну молекулу лизина больше и на одну молекулу глютаминовой кислоты меньше, чем нормальный ВТМ.

Ученые пытались также уловить различия в молекулах РНК. Но это оказалось трудной задачей, поскольку расположение отдельных нуклеотидов в макромолекулах еще неизвестно. Однако процентное различие в РНК нормального ВТМ и РНК мутанта установить все же удалось. И эти данные были очень важны.

Теперь мы знаем, что РНК из ВТМ способна сама по себе вызвать заболевание табачной мозаикой. И если мутант J14D1 вызывает иное течение болезни, то это происходит потому, что он содержит иную РНК, которая в клетках пораженных растений заставляет ферменты синтезировать иную РНК и иные белковые субъединицы у вирусных частиц. Мы видели, что различия в этих субъединицах незначительны и касаются лишь двух аминокислот. Более заметны различия в самом действии нормального ВТМ и его мутанта: ВТМ вызывает на листьях молодых растений табака образование пузырьков и замедляет, но не останавливает их рост, тогда как мутант J14D1 приводит к быстрой гибели растений.

Сравнительное изучение было проведено и другими учеными, которые получили сходные результаты. Таким образом, исследования показали, что мутация у вирусов вызывала специфические изменения в структуре их нуклеиновых кислот и белков. Если считать вирусы неким подобием модели генов, можно предположить, что и в генах клеток, подверженных мутациям, происходят сходные химические изменения нуклеиновых кислот и белков. А это влечет за собой наследственные изменения некоторых свойств клетки.

Инфекционная РНК и реконструкция вирусов

Доказательства того, что РНК вирусов является генетическим материалом, предоставил нам все тот же ВТМ. Прежде всего ученым удалось изменить частицы ВТМ, устранив из их состава белковый компонент. В таком состоянии вирусы напоминали кусочки изолированного провода, с которого местами снят слой изоляции. Осталась нетронутой лишь РНК, однако инфекционные (вирулентные) свойства вируса сохранились. Затем ученые удаляли из ВТМ весь белок и снова испытывали вирулентные свойства частиц. Они все еще сохранялись, но стали приблизительно в 1000 раз слабее, чем неразрушенные частицы ВТМ.

Потом внимание ученых привлекли интересные опыты X. Френкель-Конрата. Очень тонкими химическими методами ему удалось отделить друг от друга РНК и белок ВТМ. Он доказал, что вирулентна лишь РНК. Затем он попытался снова связать разъединенные компоненты – белок и РНК. Ему удалась и эта операция. Воссоединение РНК с белком вернуло вирусу его прежнюю высокую инфекционность. Френкель-Конрат назвал это воссоединение компонентов вируса реконструкцией (фото 53).

На этом опыты не закончились. Впереди был наиболее сложный этап. В двух различных мутантах ВТМ (назовем их А и Б) Френкель-Конрат осторожно отделил РНК от белковой «оболочки». Потом, взяв белок из вируса А, он смешал его в пробирке с РНК, взятой из вируса Б. При этом были созданы как бы некие «перекрестные» вирусы: белковый цилиндр был от вируса А, а РНК – от вируса Б. Реконструкция, таким образом, удалась и в этом случае. Но каков был ее результат? Новый вирус обладал свойствами лишь того из прежних вирусов-мутантов, от которого была взята РНК, то есть свойствами вируса Б. О том, что это значит, говорит сам ученый:

«Этот опыт очень ярко иллюстрирует положение, согласно которому именно нуклеиновая кислота (РНК), а не белок является генетически активным материалом, важнейшим компонентом вируса, определяющим его характер и характер вызываемой им болезни».

Но можно ли на основании одних опытов с ВТМ делать столь обобщающие выводы? Рискованно. Правда, в настоящее время инфекционную РНК удалось выделить и из других РНК-содержащих вирусов: вируса полиомиелита и вируса энцефалита лошадей.

Мутации вирусов в лаборатории

Мы говорили о мутантах ВТМ, созданных природой. Сегодня нам известны уже и его лабораторные мутанты. Первые из них увидели свет в лаборатории Г. Шрамма.

Шрамм в своих опытах исходил из возможности замены аминогруппы (—NH₂) в молекуле цитозина гидроксильной группой (—ОН) при помощи азотной кислоты. При таком замещении цитозин преобразуется в урацил. Мы знаем, что и тот и другой содержатся в молекулах РНК.

Шрамм ставил себе целью действием азотной кислоты изменить расположение нуклеотидов в РНК и тем самым повлиять на ее свойства. Это оказалось нелегкой задачей. Сначала нужно было выделить РНК из вирусов, а потом воздействовать на нее азотной кислотой и уже измененную РНК снова «одеть» белковой «оболочкой». Однако все это Шрамму удалось, и в результате опытов были получены мутанты ВТМ, отличавшиеся особой формой действия на растения табака. Известно уже свыше 10 таких искусственно созданных мутантов ВТМ, и их свойства сейчас тщательно изучаются. Некоторые из них отличаются даже составом аминокислот, представленных в белковых субъединицах. Читатель знает, что изменение порядка расположения нуклеотидов в РНК вызывает и изменения в наборе аминокислот в белках, поскольку нуклеотиды являются как бы «генетическим алфавитом» при синтезе белков.

Мы видели, сколько биологических тайн, сколько важных вопросов генетики помог нам разрешить мир микроорганизмов. Многое удалось нам понять и объяснить. Но многое еще и не решено. Чего можно ожидать от дальнейших исследований? Попросим ответить на этот вопрос одного из участников исследований, уже немало сделавшего на этом поприще, Френкель-Конрата. Он пишет:

«Мы делаем пока только первые, робкие шаги. Начинаем разгадывать код, раскрывающий нам тайну соотношений структуры белков и нуклеиновых кислот. Постепенно нам все яснее становится путь переноса генетической информации. Многие ученые, работающие в области химии, освещают нам понемногу и механизм действия ферментов в клетке. И когда изучение генетической информации и исследования функций ферментов сольются в едином усилии, тогда, быть может, наши дети – а возможно, лишь наши внуки – начнут понимать ту высокоорганизованную взаимную игру ферментов и генетического материала, игру энергии и процессов воспроизводства, которую мы называем жизнью».

Часть четвертая. Наши враги в царстве микробов

После чумы многие здания в городах, местечках и селах из-за отсутствия жителей совсем разрушились. Целиком опустели маленькие деревушки и хутора, правда, ни одного покинутого дома не было, но в них находились одни мертвецы. Вероятно, эти деревеньки никогда уже вновь не заселятся. А домашние животные и скот… блуждали по округе без пастухов, и все имущество человека никем не охранялось.

Английская хроника 1350 года

14. Происхождение заразных болезней

Все массовые болезни переносятся воздухом. Воздух дает нам жизнь, но он же приносит и болезни…

Гиппократ, V век до н. э.

Невидимые враги

Человеку с самого начала его существования угрожали серьезные враги. Являлись они неожиданно, коварно, не бряцая оружием. Бороться с ними было нечем. С какой стороны ждать нападения – неизвестно. Нападали без предупреждения, разили невидимо и без промаха, часто сеяли смерть.

Как защитить себя от врагов, которых не знаешь? Как бороться с болезнями, которые непонятным образом передаются от одного человека другому?

Какой страх должны были вселять они в прошлом! И чем большей тайной они были овеяны, тем страшнее казались. Индийцы верили, что болезни возникают по злой воле демонов. Вызывающего лихорадку демона они представляли маленьким, подобным комару, существом. Сколь близким к истине было их наивное представление, мы поняли лишь сравнительно недавно, узнав, что переносчик малярии – комар.

Гиппократ, которого называют отцом медицины, считал, что болезни связаны с повреждением «соков» в человеческом теле. Когда в 429 году до н. э. в Афинах вспыхнула чума и улицы были полны гниющих трупов, он высказал мысль – вполне справедливую, – что с трупа болезнь переходит на здоровых людей. Роль переносчика он приписывал воздуху: «Все массовые болезни переносятся воздухом. Воздух дает нам жизнь, но он же приносит и болезни». Сохранились письменные свидетельства из более ранних времен о том, что люди уже тогда предполагали о перенесении болезней с больных на здоровых. У палестинцев было точное предписание, имевшее целью предотвратить распространение проказы. Подозреваемых больных должен был осмотреть священнослужитель. Если он обнаруживал на коже симптомы начинающегося заболевания, то изолировал больного на 7 дней, после чего вновь его осматривал. При наличии признаков болезни изоляция продлевалась еще на 7 дней, а если пятно распространялось и дальше, больного объявляли прокаженным. Его ожидала полная изоляция от остальных людей. Прокаженного обязывали предостерегать случайных встречных, чтобы они не приближались к нему: «… а прокаженный, с такой язвой, должен разорвать свою одежду, распустить волосы и, бороду свою прикрыв, возглашать: «Нечистый, нечистый!» И пока будет на нем рана его – будет он нечистым, и жить будет одиноко, и жилье его будет далеко за селением…»

Эти меры, предпринимавшиеся уже более трех тысячелетий назад, мы лучше поймем и оценим теперь, в век микробиологии, поскольку знаем, что проказа – заразная болезнь, а ее возбудитель – микроорганизм.

Высказывания о заразной природе некоторых болезней встречаются также в сочинениях римских историков и поэтов. Так, Овидий писал: «Мертвецы гниют на земле, распространяя вокруг себя смрад и заразу».

В Средние века мысль о заразности отдельных болезней распространилась еще шире. На собственном опыте люди стали понимать, что заразны не только проказа и чума, но и болезни, вызывающие сыпь и пятна на теле. Богатый торговый город Венеция, посещаемый огромным количеством людей, выделил прилежащий остров для размещения лиц, прибывающих из стран, в которых распространена чума. Гостей, которые могли непосредственным контактом заразить венецианцев, держали на этом острове 40 дней. От итальянского слова «каранта» (сорок) и произошел термин «карантин», который означает санитарное мероприятие для предупреждения распространения заразных болезней, заключающееся в изоляции на известный срок больных и лиц, соприкасавшихся с ними.

Большое значение имело медицинское сочинение итальянского ученого, врача и поэта XVI века Джироламо Фракасторо «О контагии, контагиозных болезнях и лечении», где он доказывал, что причиной болезни является некое живое начало (contagium vivum), обладающее способностью делиться, размножаться, распространяться по воздуху, через различные предметы и прикосновения к больному.

В XVIII веке венский врач Пленчич, хорват по происхождению, писал, что возбудителями болезней человека являются «мельчайшие зверушки», открытые Левенгуком. Его учение о болезнетворном начале, живом и размножающемся, постепенно вылилось в идею о том, что каждая инфекционная болезнь вызывается своим, особым микроорганизмом.

В начале XIX века итальянский исследователь А. Басси установил, что каменную болезнь шелкопряда, мускардину, вызывает живой паразит, находящийся в организме червя. Немецкий врач Шёнлейн установил, что парша – заразное заболевание кожи – всегда связана с определенным микроскопическим организмом. Позднее, когда этот организм стал извесГен, его назвали в честь первооткрывателя Achorion schonleini.

Резкий перелом в наших знаниях произошел во второй половине XIX века, когда Пастер и Кох доказали, что возбудителями заразных болезней действительно являются различные микроорганизмы.

В наше время уже в школе дети узнают о том, что все заразные болезни возникают в результате действия болезнетворных (патогенных) микробов, переносящихся различными путями с больных людей на здоровых.

Оружие микробов

В человеческом организме находятся самые разнообразные микроорганизмы. Одни безвредны, другие даже полезны. Чем же отличаются от них болезнетворные микробы? Каким оружием располагают они для нападения на человека?

Некоторые болезнетворные микробы выделяют ферменты, которые разлагают составные части слизистых оболочек, мышц и кровяные тельца, нарушая нормальное состояние человека. Гемолитический стрептококк выделяет фермент, растворяющий красные кровяные тельца (эритроциты). Плазмодий – возбудитель малярии, – размножаясь в эритроцитах, вызывает их распад.

Схема строения бактериальной клетки. Стрелками указаны структуры, подвергающиеся инфекционному действию ферментов, агрессинов и токсинов

Особую группу образуют те болезнетворные микробы, которые выделяют сильнодействующие яды (токсины), отравляющие пораженный организм и часто приводящие к его смерти. Действие таких микробов определяется их токсичностью, то есть способностью выделять ядовитые вещества. Различают токсины двух типов. Одни выделяются клеткой микроба в окружающую его среду и по своей химической природе представляют белки. Это так называемые экзотоксины, например токсин бактерии столбняка. Другие остаются в клетке и выходят из нее лишь после ее гибели. Это – эндотоксины, они относятся к сложным сахарам. Многие токсины удалось получить в чистом виде.

Микроорганизмы могут выделять токсины и вне тела человека. И тогда его заражение токсинами происходит через пищу, как, например, при известных случаях отравления ботулиническим токсином.

Действие экзотоксинов обычно гораздо сильнее, чем умеренное отравление организма эндотоксинами. Кроме того, отдельные токсины отличаются друг от друга еще и тем, где и как проявляется их действие.

Разрушающее влияние бактерий на человеческий организм начинается обычно с действия так называемых агрессинов, не всегда обладающих ядовитыми свойствами. Они содержатся в слизистой капсуле или в клеточной стенке бактерий. Это и понятно, ведь именно здесь пролегает линия «фронта» в той борьбе, которая ведется между микробом и его отнюдь не добровольным хозяином. Вспомним о диссоциации и трансформации пневмококков. Вирулентность их S-формы обусловлена именно присутствием капсулы. Форма R, не имеющая капсулы, не вирулентна!

Нередко агрессины выделяет и цитоплазма, она же образует и многие ферменты, повреждающие ткани и таким образом открывающие доступ бактериям в организм человека. Микробиолог мог бы нам многое рассказать о ферментах пектиназе, гиалуронидазе, коагулазе или стрептокиназе. Бактерии вида Proteus mirabilis выделяют фермент уреазу, разлагающую мочевину на углекислый газ и аммиак. Эти бактерии часто попадают в мочевые пути и по ним проникают до самых почек. Там они при помощи выделяемой уреазы разлагают мочевину, создавая щелочную реакцию среды и повреждая этим почки.

На прилагаемом рисунке хорошо видна доля участия отдельных частей клетки в общем «вооружении» болезнетворных бактерий. Нетрудно заметить роль клеточной стенки и цитоплазмы, участвующих в образовании ферментов, агрессинов и токсинов, которые являются основными видами «оружия» микробов.