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

О хеджировании, или страховочных ставках, думают не только игроки. Математики и экономисты уже исследовали все мыслимые варианты подобных стратегий, многие из которых позаимствовали у них биржевые брокеры, банкиры и те, кому приходится принимать решения о поведении финансовых рынков при недостатке исходных данных. Брокер, покупая акции биотехнологи — ческой компании, может одновременно продать акции аналогичной компании, тогда прибыль он получит вне зависимости от того, как будет вести себя рынок. Теперь у биржевиков в свою очередь позаимствовали математический аппарат биологи — эволюционисты, которые пытаются с его помощью понять, почему клоны одной и той же E. coli действуют так по — разному.

Оказывается, игра E. coli заключается в выборе реакции на внешние обстоятельства в каждой конкретной ситуации. В некоторых случаях выбор очевиден, и все члены популяции ведут себя одинаково. Но в других ситуациях популяции выгоднее хеджировать свои ставки — иными словами, выгоднее, когда некоторые особи реагируют одним способом, а некоторые — другим.

На что поставит E. coli, зависит прежде всего от того, сколько и какую информацию ей удастся получить. В некоторых случаях надежной информации достаточно, и на ее основании можно выбрать верный курс. В подобных случаях имеет смысл идти ва — банк и ставить все деньги на фаворита. Но бывают ситуации, когда трудно определить в точности, как лучше всего действовать и какой путь в данном случае оптимален. Условия могут меняться быстро и непредсказуемо. В таких случаях E. coli, возможно, лучше подстраховаться и позволить отдельным особям реагировать на внешние условия по — разному.

Лактоза ставит E. coli как раз в такую ситуацию. Да, конечно, порция лактозы позволит бактериям выжить, когда других разновидностей сахара вокруг нет. Но чтобы использовать в качестве источника питания лактозу, E. coli должна избавиться от всех белков, которые прежде использовала для расщепления других сахаров, и начать производство белков, нужных для утилизации лактозы. На эту процедуру бактерии придется затратить массу энергии и времени. Возможно, усилия оправдаются, но могут оказаться и напрасными, если лактоза исчезнет так же быстро и внезапно, как появилась, или обнаружится другой, более энергонасыщенный сахар.

Для страхования рисков, то есть для разделения на любителей лактозы и тех, кто лактозу не расщепляет, E. coli использует неравномерность производства различных белков. Если колония получит порцию лактозы, любители этого продукта не замедлят воспользоваться моментом. Остальные, если и перейдут на питание лактозой, то сделают это гораздо медленнее. Если же лактоза так и не появится, то не способные утилизировать ее бактерии будут быстро расти, потому что не потратили энергию на ненужные приготовления. Так или иначе, но колония в целом обязательно выиграет.

Выясняется, что E. coli страхует многие ставки. Иногда мы из‑за этого болеем. Некоторые штаммы E. coli инфицируют мочевой пузырь, где им необходимы нитевидные выросты — фимбрии для прикрепления к клеткам — хозяевам. Но фимбрии привлекают внимание иммунной системы. Чтобы уравновесить эти два требования, бактерии входят в режим случайного включения и выключения механизма формирования фимбрий. В результате в любой момент часть особей в колонии оказывается покрытой фимбриями, а часть остается гладкой.

Возможно, страхование рисков у E. coli играет важную роль и в механизме защиты от антибиотиков. Действие многих антибиотиков объясняется тем, что они разрушают белки, которые микроорганизмы используют для роста. Столкнувшись с популяцией чувствительных к нему бактерий, антибиотик очень быстро уничтожает их. По крайней мере большинство из них. Примерно 1 % особей E. coli в биопленке, как правило, выдерживает атаку антибиотиков на протяжении нескольких часов или дней. Оставшиеся в живых бактерии могут отстроить биопленку заново — и болезнь возобновится с прежней силой.

Устойчивое к действию антибиотиков меньшинство бактерий не несет никаких специальных генов, которые объясняли бы такую устойчивость. Генетически они совершенно идентичны своим погибшим от антибиотиков сородичам. Если выделить выжившие микроорганизмы и позволить им вновь размножиться и образовать большие колонии, а затем вновь подвергнуть их действию антибиотиков, картина будет та же самая: 99 % бактерий погибнет, а 1 % вновь уцелеет.

Так называемые резистентные бактерии были обнаружены в 1944 г., и шесть десятилетий после этого они оставались для ученых почти полной загадкой. Некоторые исследователи предполагали, что из‑за действия антибиотика отдельные микроорганизмы погружаются в загадочное состояние анабиоза, в котором они могут спокойно переждать опасность. В 2004 г. команда ученых под руководством Натальи Балабан из Еврейского университета в Иерусалиме проверила эту гипотезу, построив специальное устройство для наблюдения за резистентными клетками. Исследователи поместили E. coli в микроскопические канавки такой ширины, что бактерии могли уместиться там только в ряд по одному. При делении одной E. coli в такой канавке ее потомство выстраивалось в аккуратную линию. Балабан могла наблюдать, как удлиняются эти линии, и измерять скорость увеличения длины.

После смены нескольких поколений бактерий ученые заливали их сильнодействующим антибиотиком. Большинство E. coli при этом погибало, но резистентные клетки оставались в живых. Балабан и ее коллеги обнаружили, что такие клетки размножаются куда медленнее нормальных, хотя полностью размножение не прекращается. Вернувшись к более ранним измерениям, ученые выяснили, что эти бактерии стали резистентными и снизили скорость размножения до того, как были подвергнуты действию антибиотиков.

Балабан сделала вывод о том, что любая E. coli в любой момент с небольшой вероятностью может превратиться в резистентную бактерию. Если такое происходит, то вернуться к нормальному быстрорастущему состоянию шансов у нее немного. Все бактерии, которых исследовала Балабан, — и резистентные, и быстрорастущие— были генетически идентичны; это означало, что источник резистентности — не мутации. Тем не менее организмы, рожденные из резистентных путем деления, тоже оказывались резистентными, будто резистентность передавалась по наследству.

Вообще, резистентные бактерии рождаются из‑за «случайного шума» в работе генов. Такова точка зрения Кима Льюиса, ведущего эксперта по резистентности в Северо- Восточном университете. Льюис с коллегами обнаружил способ сравнения белков, производимых резистентными бактериями, с теми, которые синтезируют нормальные клетки E. coli. Одно из основных различий между ними — то, что резистентные клетки производят много токсинов. Долгое время эти токсины ставили ученых в тупик: ведь они блокируют другие белки E. coli и не дают им делать обычную работу. Большинству бактерий токсины не причиняют никакого вреда, потому что E. coli одновременно с ними производит и противоядия к ним — антитоксины, которые связывают молекулы токсинов прежде, чем те успевают вмешаться в процессы метаболизма микроорганизма.

Именно эти токсины, утверждает Льюис, превращают обычные E. coli в резистентные. В норме E. coli непрерывно испускает тоненькую струйку токсинов и одновременно точно такую же тоненькую струйку антитоксинов. Но работа генов подвержена случайным колебаниям, поэтому иногда микроорганизм «взбрыкивает», и производство токсинов в нем внезапно возрастает многократно. Небольшое количество антитоксинов, которые E. coli продолжает производить, уже не может нейтрализовать все молекулы токсина, и они, как им и положено, без помех нападают на белки. Они не причиняют бактерии никакого необратимого вреда, но ее размножение практически останавливается. После всплеска концентрация свободных токсинов в клетке E. coli постепенно снижается, потому что бактерия начинает производить больше антитоксинов. Как только нужные белки освободятся, микроорганизм возвращается в нормальное состояние.