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

Японские микробиологи были хорошо знакомы с бактерией Shigella еще с тех времен, когда в 1897 г. Киёси Сига впервые открыл его. Во время послевоенной вспышки шигеллеза они отбирали у пациентов тысячи бактериальных проб и неустанно искали источник новообретенной мощи зловредной бактерии. Выяснилось, что у микроорганизмов стремительно развивается резистентность к антибиотикам. Сначала микробиологи обнаружили штаммы бактерий, устойчивые к сульфамидным препаратам. Затем, всего через несколько лет, появилась устойчивость к тетрациклину, а чуть позже — к стрептомицину и хлорамфениколу.

Поначалу распространение резистентных штаммов шигеллы шло по обычной для всех бактерий схеме: мутации создавали мощные новые гены, дававшие отдельным бактериям репродуктивное преимущество. Но затем случилось нечто поразительное. На сцене появились штаммы шигеллы, устойчивые к действию всех антибиотиков одновременно. Преображение происходило внезапно: если врачи давали пациенту, страдающему шигеллезом, антибиотик одного какого‑нибудь типа, бактерии часто приобретали резистентность и к другим антибиотикам, которых данный пациент никогда не принимал.

Пытаясь хоть как‑то объяснить обнаруженные странности, японские ученые вспомнили открытие Джошуа Ледерберга, сделанное за несколько лет до этого, — открытие полового размножения у E. coli. Ледерберг показал, что иногда — достаточно редко — эта бактерия может передавать часть своих генов другой, неродственной. В его экспериментах кольцевые молекулы ДНК — плазмиды, переходили от одной бактерии к другой, перенося часть бактериального генетического материала. Ледерберг и другие исследователи установили также, что профаги — тихие вирусы — нелегалы — способны тоже служить челноками и переносить гены туда и сюда. Пробудившийся к жизни вирус иногда случайно копирует несколько генов хозяина в собственную ДНК, а потом переносит эти гены в другие бактерии. За эти открытия Ледерберг и другие ученые были удостоены нескольких Нобелевских премий, но в течение многих лет большинство биологов рассматривало подобную «инфекционную наследственность» всего лишь как удобный лабораторный инструмент, а не как существенную часть природоустройства. Они ошибались, и послевоенные вспышки дизентерии в Японии стали тому первым доказательством.

Цутомо Ватанабэ из Университета Кэйо в Токио и другие японские ученые начали разбираться, действительно ли шигелла способна обмениваться генами. Они доказали, что E. coli К-12 и Shigella могут обмениваться генами резистентности. Эксперименты на людях, больных шигеллезом, подтвердили результат. Ватанабэ сделал заключение, что использование больших доз антибиотиков подталкивало эволюцию генов резистентности либо у шигеллы, либо у какого‑то другого вида бактерий, обитающего в кишечнике. В редких случаях резистентная бактерия передавала свои гены кому‑то из соседей. Более поздние исследования показали, что эти гены располагаются в плазмиде.

Стоило японским врачам начать лечить пациентов новым антибиотиком, как возникали новые гены, обеспечивающие резистентность к нему, а содержащие его плазмиды обнаруживались в популяциях бактерий по всей Японии. Иногда случалось так, что микроорганизм получал при передаче генетического материала две плазмиды одновременно, причем они несли гены резистентности к разным антибиотикам. Две плазмиды могли обменяться участками ДНК, и в результате в некоторых случаях возникала плазмида с двумя генами резистентности вместо одного. Естественный отбор благоприятствовал носителям новых плазмид еще в большей степени, потому что они обладали устойчивостью к обоим антибиотикам. Постепенно плазмиды собирали в себе все большее количество генов резистентности. В итоге шигелла приобрела устойчивость практически ко всем лекарственным средствам, с помощью которых врачи пытались от нее избавиться.

До 1963 г., когда Ватанабэ написал на английском языке длинный обзор для журнала Bacteriological Review, мало кто из ученых за пределами Японии знал об этих открытиях. Западные ученые были поражены. Они поставили собственные эксперименты и убедились, что Цутомо Ватанабэ совершил крупное открытие. Оказывается, гены способны курсировать между бактериями, причем не одним способом. Некоторые из них переносятся с места на место плазмидами; в перемещении других принимают участие вирусы. Вирусы случайно встраивают в свой геном гены хозяина, а затем переносят их в нового хозяина, которого инфицируют. Иногда бактерии попросту целиком «заглатывают» ДНК, высвободившуюся в момент гибели другой бактерии. Так получается, что гены резистентности могут передаваться не только между особями одного вида, но и между разными видами микроорганизмов.

Горизонтальный перенос генов, как теперь называется это явление, лучше всего работает в тех местах, где в небольшом объеме сосредоточено множество бактерий. Так, передача генов между бактериями нередко происходит в человеческом организме, а также в организме цыплят и других домашних животных, которых кормят антибиотиками. Даже комнатные мухи, зараженные E. coli, могут стать местом обмена генами. Горизонтальный перенос позволяет генам перепрыгивать из одного микроба в другой и перемещаться территориально на поразительно большие расстояния. В джунглях Французской Гвианы ученые обнаружили резистентную к антибиотикам E. coli в кишечнике индейцев — ваямпи, никогда этих лекарств не принимавших. При исследовании E. coli, живущей в Великих Озерах, другая команда ученых обнаружила гены резистентности у 14 % бактерий.

Горизонтальный перенос не просто способствует распространению генов резистентности, но и подстегивает их эволюцию. Ген, обеспечивающий резистентность к антибиотику, может принести пользу не только своему первоначальному хозяину, но и другим бактериям, в чьем геноме он окажется. При этом в геноме новых хозяев ген продолжает подвергаться естественному отбору и вполне может стать еще более эффективным. Микроорганизм способен собрать в себе целый арсенал средств защиты от антибиотиков; при этом он не просто наследует эти средства от предков, а пользуется достижениями всего сообщества бактерий.

Биологи далеко не сразу поняли все значение японской вспышки шигеллеза. Горизонтальный перенос генов — причина настоящей медицинской катастрофы, которая продолжает разворачиваться в настоящее время. Но биологам долгое время не удавалось обнаружить какие бы то ни было свидетельства такого переноса в других ситуациях, помимо резистентности к антибиотикам. Тому были объективные причины. Только в 1990–е гг. ученые смогли сравнить полный геном E. coli с геномами других бактерий и как следует поискать в нем гены, полученные путем горизонтального обмена. Подобные исследования навсегда изменили наши представления об истории жизни на Земле. Сегодня мы знаем, что горизонтальный перенос генов — отнюдь не тоненький часто пересыхающий ручеек ДНК. Это настоящий поток. И сегодняшний облик E. coli — во многом его заслуга

За судьбой E. coli внимательно следят тысячи персональных биографов. Они регистрируют рождение новых болезнетворных штаммов в Омахе и Осаке. В поисках микроорганизмов они тщательнейшим образом исследуют ручьи, озера и кишечник кенгуру. Они внимательно наблюдают, как ведут себя и какие трюки выделывают необычные мутантные штаммы. Поскольку мутантов передают из лаборатории в лабораторию, замораживают в хранилищах и вновь оттаивают для дальнейших экспериментов, ученые, как правило, в состоянии достаточно далеко проследить родословную своих E. coli. Ни один биологический вид — кроме, конечно, нас самих — не удостоился такого внимания со стороны человека.