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

На данный момент письменная история E. coli столь обширна, что ни один человек на протяжении своей жизни не сможет даже просто ознакомиться с ней. Но при всей обширности история эта достаточно поверхностна. Начинается она с 1885 г., с первых сделанных Теодором Эшерихом набросков увиденных под микроскопом групп палочковидных объектов. Несколько штрихов к истории E. coli до Эшериха могут, как ни удивительно, добавить археологи. В 1983 г. английские торфоразработчики обнаружили тело человека, пролежавшее в болоте недалеко от Манчестера 2200 лет. Человек этот стал жертвой ритуального убийства: ему нанесли удар по голове дубиной, перерезали горло, затянули на шее веревку и столкнули в трясину. Богатая кислотами болотная вода сохранила не только тело, но и содержимое его желудочно — кишечного тракта. В желудке древнего человека ученые обнаружили ячмень и омелу. А в кишечнике — ДНК E. coli.

Нет никаких оснований думать, что найденный в болоте человек был первым, в чьем кишечнике обитала E. coli. Напротив, есть все основания считать, что история нашей бактерии началась гораздо раньше. Надо сказать, что палеонтологическая летопись не обошлась без бактерий. Отдельные микроорганизмы оставили свой след на камнях по крайней мере 3,7 млрд лет назад. Рифы, выстроенные бактериями 3 млрд лет назад, до сих пор тянутся на многие километры по территории Африки и Канады. E. coli ведет достаточно незаметное в геологическом плане существование и практически не образует окаменелостей. Однако их недостаток она с избытком компенсирует при помощи подробных записей в своей ДНК. Эта генетическая летопись разворачивается перед нами, как ковровая дорожка, и уходит в прошлое на миллионы лет — к происхождению кишечной палочки как вида, а затем и дальше в прошлое, к тому времени, когда жизнь еще не вышла на сушу, и еще дальше, к возникновению клетки и самому началу жизни на Земле.

Чтобы прочесть эту богатую событиями летопись, нужно стать специалистом по генеалогии бактерий. Если у E. coli происходит мутация, она передается ее потомкам. Если собрать коллекцию E. coli, то у некоторых штаммов обнаружатся общие генные последовательности, которых у других не окажется. Эти мутации иногда могут служить генетическими маркерами, показывая ученым, какие группы бактерий связаны между собой родственными отношениями. Во время вспышки заболеваний, вызываемых болезнетворной E. coli, эти маркеры позволяют работникам здравоохранения быстро отыскать источник инфекции. Другие ученые при помощи генетических маркеров восстанавливают генеалогическое древо E. coli. Впереди у них еще много работы, но они уже добавили к генеалогическому древу бактерии достаточное количество новых ветвей, чтобы узнать о ней чрезвычайно важные вещи.

Все ныне существующие штаммы кишечной палочки происходят от первых представителей этого вида. Ученые приблизительно представляют, когда появились первые Е. coli. В 1998 г. Джеффри Лоуренс из Питтсбургского университета и Говард Охман из Аризонского университета примерно определили, когда отделились друг от друга предки E. coli и ее близкого родственника — бактерии Salmonella enterica. Лоуренс и Охман тщательно подсчитали все различия в ДНК этих бактерий. Считается, что после того, как два вида отделяются от некоего общего предка, они непрерывно мутируют с примерно постоянной (и одинаковой) частотой. Лоуренс и Охман определили, что общий предок этих бактерий жил около 140 млн лет назад. В 2006 г. Охман с несколькими коллегами пробовали определить происхождение E. coli с помощью другого источника информации: они провели исследование штаммов E. coli и попытались оценить, когда жил их общий предок. Ученые пришли к выводу, что от 10 до 30 млн лет назад этот вид был уже вполне сформирован. E. coli намного старше человека, найденного в английском болоте, но это не означает, что эта бактерия представляет собой живое ископаемое. По степени примитивности она вполне сравнима с каким‑нибудь приматом.

Предки E. coli отделились от предков сальмонеллы в те времена, когда на Земле властвовали динозавры, а над головой летали птерозавры и птицы, которые по — прежнему могли похвастаться зубастыми клювами и когтями на крыльях. Из млекопитающих самыми типичными тогда были мелкие существа, напоминавшие белку. Около 65 млн лет назад эта картина начала резко меняться. Птерозавры и крупные динозавры вымерли — отчасти, вероятно, из‑за астероида, упавшего в Мексиканский залив. Вскоре после этого млекопитающие разделились на летучих мышей, громадных слоноподобных травоядных, кошкоподобных и собакоподобных хищников, грызунов и прыгающих по деревьям приматов. Птицы тоже приобрели современный вид. Но млекопитающих и птиц объединяет не только успех в вопросе выживания. Их предки независимо друг от друга развили способность поддерживать постоянную температуру тела. Их кишечник стал подходящей средой обитания для бактерий, в том числе для предков E. coli. Активный метаболизм теплокровных животных требует обильной пищи, а богатый питательными веществами рацион способен прокормить, помимо хозяина, еще и целую уйму бактерий. Жизнь в кишечнике, где всегда тепло, позволяет ферментам микроорганизмов работать быстро и эффективно. Возможно, тот факт, что расцвет E. coli совпадает по времени с расцветом ее нынешних хозяев, — не просто совпадение.

От E. coli, которые жили в давние времена, произошло множество штаммов, населяющих наши внутренности; некоторые из них безвредны, а иные даже полезны, одни разрушают мозг или губят почки, а другие даже приспособились к жизни вне теплого уютного тела. Если условия позволяют, жизнь нередко отвечает вспышкой разнообразия. Но E. coli — особый случай. Ученые могут разобрать историю ее эволюции во всех подробностях, буквально ген за геном.

Чтобы получить представление о том, насколько E. coli разнообразна как вид, достаточно посмотреть на два штамма — К-12 и 0157: Н7. Бактерия штамма К-12 — домашняя собачка мира микроорганизмов. Она настолько безобидна, что ученые при работе с ней не принимают никаких мер предосторожности; напротив, им приходится защищать ее от грибов и других бактерий. А вот 0157: Н7 — настоящий волк. Она впрыскивает в наши клетки химические соединения, нарушающие их работу, разрушает кишечник и вызывает кровотечения, травит нас токсинами, а иногда отключает целые органы и даже убивает нас. Каждый из этих штаммов опирается на сеть вполне конкретных генов и белков, которые позволяют бактериям благоденствовать в определенной экологической нише, и сети эти сильно различаются между собой. Тем не менее, несмотря на все различия, К-12 и 0157: Н7 происходят от общего предка, жившего, по оценкам ученых, 4,5 млн лет назад — в те времена, когда наши предки были еще прямоходящими человекообразными обезьянами.

В 2001 г. исследователи впервые сумели получить представление о том, как один микроорганизм мог дать начало двум таким разным потомкам. Именно тогда две команды ученых — японская и американская — независимо друг от друга опубликовали полную расшифровку генома штамма 0157: Н7. Появилась возможность сравнить его, ген за геном, с геномом штамма К-12, расшифровка которого была опубликована четырьмя годами ранее. Никто не мог сказать наверняка, что даст такое сравнение.