ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

В действительности, рекомбинантная технология стала возможной именно потому, что бактерии превосходно умеют инкорпорировать новые фрагменты ДНК (обычно в виде плазмид). Неудивительно, что и во всей бактериальной эволюции прослеживается драматическая история заимствования генов, уходящая в прошлое. E. coli, безобидная обитательница нашего кишечника (и чашек Петри в наших лабораториях), в результате заимствования генов превращается в убийственные штаммы. Яды, выделяемые одним из штаммов, провоцируют вспышки токсикоинфекций (например, в Шотландии в 1996 году – 21 погибший). Появляются заголовки о «смертоносных гамбургерах». Все дело в обширном межвидовом генетическом «заимствовании» у бактерий.

Как правило, генетический материал передается «по вертикали» – от предков к потомкам. Вышеописанный мной механизм заимствования ДНК именуется «горизонтальным переносом». Если сравнить геномную последовательность обычной E. coli и патогенного штамма, то видно, что в обоих геномах имеется общий генетический «остов», демонстрирующий, что оба штамма относятся к одному и тому же виду, но в ДНК у патогенной бактерии есть множество уникальных дивергентных «фрагментов». В целом у патогена отсутствует 528 генов, имеющихся у обычной бактерии, зато есть 1387 таких, которыми она не обладает. Именно такая замена – 528 на 1387 – позволяет понять, как один из самых безобидных организмов в природе превращается в убийцу. Анализ того штамма E. coli, который спровоцировал смертельную вспышку в Германии в 2011 году, показал, что опасная бактерия приобрела несколько генов антибиотикорезистентности.

Для других патогенных бактерий тоже характерен подобный массовый горизонтальный перенос генов. Так, холерный вибрион, возбудитель холеры, интересен тем, что у него есть две отдельные хромосомы (что нехарактерно для бактерий). Более крупная из них (около трех миллионов пар оснований), по всей видимости, имелась у микроба изначально, и именно в ней содержится большинство генов, жизненно важных для работы клетки. Меньшая хромосома (около миллиона пар оснований) кажется мозаичной, составленной из лоскутков ДНК, заимствованных у других видов. Примечательный и беспрецедентный случай горизонтального переноса генов недавно выявлен у вируса (бактериофага) WO, который обычно гнездится внутри бактерий, обитающих в клетках у насекомых. Секвенировав геном серовара WO, исследователи с удивлением обнаружили, что треть его ДНК не вирусного и даже не бактериального происхождения, а заимствована у насекомых и паукообразных. Поразительно, что в этом генетическом миксе нашелся даже фрагмент гена, кодирующего латротоксин – основное действующее вещество в яде паука «черная вдова». Небанальный вирус WO получил новое прозвище: франкенфаг.

Так уж устроены сложно организованные существа, в особенности такие крупные, как люди, что их внутренний метаболизм, включая биохимический гомеостаз, изолирован от факторов внешней среды. Как правило, чужеродные антигены не могут серьезно на нас повлиять, если мы их не вдыхаем и не проглатываем. В этом причина того, что биохимические процессы у позвоночных протекают практически одинаково. В то же время бактерия гораздо сильнее подвержена химическим перипетиям окружающей среды: колонию может внезапно смыть потоком химических соединений, таких, например, как дезинфицирующий хозяйственный отбеливатель. Стоит ли удивляться, что эти исключительно уязвимые организмы обзавелись удивительно разнообразными биохимическими особенностями. Действительно, двигатель бактериальной эволюции – биохимические инновации, изобретение новых ферментов (или модернизация старых) для всевозможных химических трюков. Один из самых захватывающих и наглядных примеров такого эволюционного принципа наблюдается у группы бактерий, чьи физиологические тайны стали приоткрываться лишь совсем недавно. Речь об «экстремофилах» – микроорганизмах, предпочитающих максимально негостеприимные экосистемы.

Бактерии Pyrococcus furiosus, обнаруженные в геотермальных источниках Йеллоустонского парка, превосходно чувствуют себя в кипящей в воде и замерзают только тогда, когда температура падает ниже 70 °C. Подобные бактерии также обитают в перегретой воде «черных курильщиков» (это горячие источники, расположенные на дне океана; из-за огромного давления вода в них не закипает). Эти бактерии нашли в среде, не уступающей по агрессивности концентрированной серной кислоте, а также в крайне щелочных растворах. Thermoplasm acidophilum – всем экстремофилам экстремофил; латинское название означает, что эта бактерия выдерживает как экстремально высокие температуры, так и низкие значения pH. Некоторые экстремофилы были найдены в нефтеносных породах; оказалось, что они способны получать энергию для метаболических процессов из нефти и других углеводородов. Такие бактерии напоминают миниатюрные автомобильчики. Один из таких видов обитает в породах на полуторакилометровой глубине и ниже, а в присутствии кислорода погибает; неудивительно, что его назвали Bacillus infernus.

Самыми известными микробами, открытыми в последнее время, являются представители вида, наличие которых опровергает одну из ключевых догм биологической науки – убеждение, что вся энергия для жизнеобеспечения поступает к нам от Солнца. Даже B. infernus и нефтеперерабатывающие бактерии не утратили связи с органическим прошлым, ведь миллионы лет тому назад Солнце согревало те растения и животных, которые сегодня превратились в ископаемое топливо. Однако так называемые литоавтотрофы способны извлекать необходимые питательные вещества прямо из пород, de novo образующихся при вулканических процессах. В этих породах (таких как гранит) нет ни следа какой-либо органики; они не содержат ни капли энергии, которая могла бы сохраниться с доисторических солнечных дней. Литоавтотрофам приходится синтезировать собственные органические молекулы из этих неорганических веществ. Они буквально «грызут гранит».

О том, насколько слабо мы представляем себе микробную вселенную в целом, красноречивее всего свидетельствует запоздалое открытие бактериального рода Prochlorococcus, относящегося к планктону; эти одноклеточные бактерии фотосинтезируют, плавая в толще воды. В кубическом миллиметре воды может насчитываться до 200 тысяч таких бактерий – пожалуй, это и есть самый многочисленный вид на планете. Определенно, на долю Prochlorococcus приходится значительный вклад в глобальные пищевые цепи. Тем не менее Prochlorococcus оставался неизвестен вплоть до 1988 года.

Наличие удивительной вселенной микроорганизмов, окружающих нас повсюду, демонстрирует феноменальную мощь естественного отбора, продолжавшегося миллиарды лет. Действительно, историю жизни на нашей планете можно считать «историей бактерий»; более сложные организмы (и мы в том числе) появились совсем недавно, буквально «напоследок» эволюционного пути. По-видимому, жизнь возникла около 3,5 миллиарда лет тому назад именно в бактериальной форме. Первые эукариоты – клетки, чей генетический материал заключен в ядре, – появились примерно 800 миллионов лет спустя, но эти существа оставались одноклеточными на протяжении еще около миллиарда лет. Лишь примерно полмиллиарда лет тому назад произошел настоящий биологический прорыв, в результате которого появились существа, подобные земляному червю, плодовой мушке, а также первый вид, способный читать и записывать ДНК – Homo Sapiens. Доминирование бактерий весьма заметно при реконструкции древа жизни по ДНК – впервые такая модель была построена покойным Карлом Вёзе из Университета штата Иллинойс. Древо жизни – это генеалогическое древо бактерий, где на самых молодых веточках начинают появляться многоклеточные существа. Сегодня идеи Вёзе являются общепризнанными, но поначалу они вызывали серьезное сопротивление в среде биологического истеблишмента. Некоторые следствия, проистекающие из выстроенной схемы эволюционного древа на базе ДНК, принять было непросто. Так, по этим данным выходило, что между растениями и животными нет тесного родства, как считалось ранее; на самом деле ближайшие родственники животных – грибы. Люди и грибы происходят от одного и того же эволюционного корня.