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

Жизнь против жизни

Бактерии, живущие в чашке на моем столе, оказались далеко от родного дома. Их предки покинули тело больного дифтерией калифорнийца 85 лет назад и никогда уже не возвращались в традиционное место обитания — человеческий кишечник. Их перенесли как бы в другое измерение — в мир колб и холодильников, центрифуг и рентгеновский лучей. Эти лабораторные существа наслаждались странным комфортом, пировали, насыщались аминокислотами и сахаром — и эволюционировали на протяжении тысяч поколений. Они научились быстро размножаться и потеряли способность длительное время жить в человеческом кишечнике. Бактериям удается избежать вымирания только потому, что они так дороги биологам, которые теперь заботливо переносят их из колбы в холодильник, а из холодильника в инкубатор.

Дикие родичи наших лабораторных любимцев все эти 85 лет жили своей жизнью. Они продолжали колонизацию кишечников и тоже эволюционировали. Бактерии, населяющие наши внутренности сегодня, не идентичны тем, что обитали в человеческом кишечнике в 1920 г. И причина значительной части происшедших с кишечной палочкой изменений — мы сами.

Самый очевидный способ, при помощи которого мы заставили E. coli измениться, заключается в том, что мы стали бороться с инфекциями при помощи лекарств. E. coli, как и другие бактерии, отозвалась на наши лекарства стремительным, почти взрывным развитием. Сегодня кишечная палочка способна сопротивляться лекарствам, которые в прежние времена без труда расправились бы с ней. Ученым приходится затрачивать кучу усилий в поисках новых лекарств взамен тех, что перестали действовать, и нет никаких оснований ожидать, что у E. coli и у других бактерий не появится резистентность и к ним.

Пока ученые наблюдают, как E. coli эволюционирует в лабораторных условиях, человечество в целом наблюдает за ходом грандиозного незапланированного эксперимента по эволюции E. coli, охватившего всю планету. Подобно лабораторным экспериментам, появление любого резистентного штамма E. coli снабжает нас новой информацией о механизмах эволюции. Резистентность может развиться обычным путем — через случайные мутации и естественный отбор. Но в некоторых отношениях E. coli не укладывается в традиционную схему. Ряд исследователей считает, что ход эволюции E. coli свидетельствует о том, что в зависимости от внешних условий микроорганизм может изменять направленность своих мутаций. И если теория Дарвина основана на представлении о том, что любые организмы наследуют свойства от своих непосредственных предков, то E. coli позаимствовала значительную часть резистентности к антибиотикам у других видов бактерий. Похоже, что бактерии способны запросто обмениваться генами, как визитными карточками. Значение этих открытий не ограничивается тем, что, изучая их, мы попытаемся понять, как бороться с резистентными патогенными микроорганизмами. Не исключено, что именно эти силы формировали жизнь на Земле на протяжении последних 4 млрд лет.

Эпоха антибиотиков началась внезапно, но перед ней была разыграна долгая медленная прелюдия. Традиционные целители давно знали, что плесень способна залечивать раны. В 1877 г. Луи Пастер обнаружил, что можно остановить распространение возбудителя сибирской язвы посредством введения «обычных бактерий». Никто не знал, что именно делают обычные бактерии с бактериями сибирской язвы и каким образом умудряются остановить их распространение, но название было дано: «антибиоз» — антагонистические отношения видов, при которых один организм негативно влияет на другой (или оба негативно влияют друг на друга).

В 1928 г. шотландский бактериолог Александер Флеминг открыл вещество, способное убивать бактерии. Както раз он обнаружил, что одна из чашек Петри в его лаборатории заражена плесенью. Флеминг обратил внимание на один любопытный факт: вблизи плесени бактерий не было. Он провел кое — какие эксперименты и выяснил, что плесень, хотя и способна остановить распространение бактерий, не действует на человеческие клетки. Флеминг выделил синтезируемый плесневыми грибками антибиотик и назвал его пенициллином.

Поначалу пенициллин не произвел на медиков особенного впечатления — да и действительно выглядел как лекарство не слишком многообещающе. С одной стороны, Флеминг мог извлекать его из плесени лишь в крохотных количествах. С другой — вещество оказалось довольно неустойчивым и не могло долго храниться. Понадобилось десять лет, чтобы пенициллин проявил все свои возможности. Говард Флори и Эрнст Чейн из Оксфордского университета придумали, как заставить грибок производить больше пенициллина, и получили его в достаточном для испытаний на мышах количестве. Они заразили мышей стрептококком и ввели некоторым из них пенициллин. Все мыши, которым были сделаны инъекции, выжили, остальные погибли. В 1941 г. Флори и Чейн убедили американские фармацевтические компании принять на вооружение их технологию получения пенициллина и начать его производство в промышленном масштабе. Всего через три года, в 1944 г., раненых солдат союзных войск вылечивали от инфекций, которые лишь годом раньше наверняка убили бы их. Следующие несколько лет были отмечены появлением множества других антибиотиков, в основном выделенных из грибов и бактерий.

Ученые выяснили, что антибиотики убивают бактерии по — разному. Некоторые действуют на ферменты, участвующие в репликации ДНК. Другие, такие как пенициллин, мешают строительству муреинового мешка, из которого формируется оболочка E. coli и других бактерий. Прорехи в мешке приводят к тому, что содержимое микроорганизма, находящееся под высоким давением, вырывается наружу, и тот лопается. Разумеется, количество антибиотиков, выделяемых разными живыми организмами, ничтожно, но фармацевтические компании начали производить их в невероятных объемах. Они либо выращивали грибы и бактерии в огромных биореакторах, либо синтезировали лекарственные препараты искусственным путем. Чтобы произвести антибиотик, содержащийся в одной- единственной таблетке, потребовалась бы работа миллиардов микроорганизмов. В такой концентрированной форме антибиотики оказывали поразительное действие на болезнетворные бактерии. Они не просто ослабляли инфекции. Они помогали полностью от них избавиться, причем почти без клинически значимых побочных эффектов. Казалось, что война против инфекционных болезней внезапно превратилась в увеселительную прогулку.

Но даже в те дни, счастливые дни первых побед, видны были признаки будущих проблем. В какойто момент Флори и Чейн обнаружили, что их плесневые культуры подверглись вторжению E. coli. Эти бактерии сумели выжить в пенициллиновом бульоне, потому что обзавелись ферментом, способным разрезать молекулу антибиотика на беспомощные фрагменты.

С началом широкого применения пенициллина микробиологи получили возможность наблюдать, как мутирует E. coli. В 1943 г. Дельбрюк и Лурия показали, что именно мутации спонтанно делают E. coli устойчивой к вирусам. В 1948 г. генетик югославского происхождения Милислав Демерец показал, что с антибиотиками происходит то же самое. Он разводил резистентные штаммы E. coli и патогенного микроорганизма Staphylococcus aureus. Оба вида по мере накопления мутаций становились все более резистентными. В том же году, когда Демерец опубликовал свои результаты, врачи сообщили, что при стафилококковой инфекции пенициллин уже не всегда помогает.

Эти тревожные открытия никак не повлияли на распространение антибиотиков, которые применялись все шире и шире. Сегодня человечество потребляет более 10 000 т антибиотиков в год. По некоторым оценкам, до 1/3 рецептов на антибиотики выписывается необоснованно — реально они не нужны. Так, врачи часто прописывают антибиотики при вирусных инфекциях, хотя в этом случае они попросту бессильны. Фермеры, стремясь увеличить привесы, кормят антибиотиками скот. Но стоимость антибиотиков зачастую выше, чем получаемая от продажи этого мяса прибыль.

Развивались антибиотики, развивалась и резистентность к ним. Многие лекарственные препараты, бывшие когдато смертельно опасными для бактерий, сегодня бесполезны. История E. coli вполне типична. Ее резистентные штаммы впервые были зарегистрированы в 1950–е гг. Поначалу лишь небольшая часть E. coli могла противостоять действию какогото конкретного антибиотика, но с течением времени резистентные бактерии попадались все чаще. Еще несколько лет — и уже большинство бактерий могло без труда противостоять действию этого лекарства. По мере того как одно лекарство переставало помогать, врачи меняли его на другое, более сильное, с более неприятными побочными эффектами, или на недавно открытый препарат. А еще через несколько лет и это лекарство начинало отказывать. Вскоре появились штаммы E. coli, способные противостоять сразу многим антибиотикам.

У E. coli много способов борьбы с антибиотиками. Так, Флори и Чейн обнаружили, что в ее арсенале имеются секретные ферменты, способные резать пенициллин на безвредные фрагменты. В других случаях белковые молекулы E. coli изменяют форму, так что антибиотикам становится трудно связываться с ними. Бывает и так, что E. coli при помощи особых насосов избавляется от антибиотиков, выбрасывает их из себя. Для каждого волшебного снаряда, который наука припасла для E. coli, бактерия придумала не менее волшебную броню.

Лягушачья кожа

E. coli приобрела резистентность к антибиотикам практически полностью в «дикой природе», вне поля зрения ученых. Это происходило не в лабораторных колбах, где исследователи могут отслеживать каждую мутацию от поколения к поколению. Ее колбой был весь огромный мир.

Данных, которые ученым удалось собрать, достаточно, чтобы восстановить по крайней мере часть этой истории. Гены, которые сегодня обеспечивают E. coli резистентность к антибиотикам, вовсе не появились из ниоткуда в 1950–е гг. Они происходят от генов, у которых прежде были другие функции. Некоторые из насосов, предназначенных для удаления молекул антибиотика из E. coli, вероятно, развились из насосов, при помощи которых бактерии прежде выпускали наружу сигнальные молекулы. Другие насосы ранее выводили соли желчных кислот, с которыми E. coli встречается в человеческом кишечнике.

Когда бактерии впервые столкнулись с антибиотиками, их насосы, вероятно, плохо справлялись с задачей выведения этих новых странных молекул. Но иногда — очень редко, конечно — гены, отвечающие за строительство насосов, мутировали. Мутантная бактерия была способна выкачивать антибиотики чуть быстрее, чем остальные. До появления современной медицины такие мутанты, по существу, не имели никаких репродуктивных преимуществ по сравнению с остальными особями. Более того, эти мутации могли быть попросту вредными для их носителя. Но как только столкновения бактерий с антибиотиками стали регулярными, мутанты получили неоспоримое эволюционное преимущество.

Поначалу это преимущество было крохотным. После дозы антибиотика могли уцелеть лишь несколько резистентных особей — но это все же лучше, чем полная гибель. Со временем в популяциях E. coli такие мутанты стали встречаться чаще. Их потомки подвергались новым мутациям и становились еще более резистентными. В 1986 г. ученые обнаружили штаммы E. coli, синтезирующие фермент, способный разрушать молекулы целой группы антибиотиков — аминогликозидов. В 2003 г. другая группа ученых обнаружила E. coli с новым вариантом того же гена. Две новые мутации гена обеспечили его носителю резистентность не только к аминогликозидам, но и к совершенно другому антибиотику — ципрофлоксацину.

Даже в организме одного и того же человека E. coli может эволюционировать, принимая опасные формы. В августе 1990 г. в больницу Атланты поступила 19–месячная девочка с лихорадкой. Врачи выяснили, что ее кровь заражена E. coli, которая проникла туда, вероятно, через изъязвление в желудочно — кишечном тракте. Анализы выявили, что бактерия уже устойчива к двум распространенным антибиотикам — ампициллину и цефалоспорину. Врачи начали давать маленькой пациентке другие антибиотики, все более мощные, но лечение не помогало: антибиотики не только не уничтожали E. coli, но, казалось, делали ее сильнее. Бактерия обзаводилась все новыми генами резистентности, а те, что у нее уже были, продолжали развиваться. После пяти месяцев борьбы за жизнь и десяти различных антибиотиков ребенок умер.

Ужасные неудачи, подобные описанной, заставляют ученых мечтать о создании новых антибиотиков, перед которыми эволюция резистентности окажется бессильна. Подобно Флемингу, они находят многообещающих кандидатов на эту роль в самых неожиданных местах. Одна особенно перспективная с этой точки зрения группа химических веществ была обнаружена в 1987 г. в коже лягушки.

Научный сотрудник Национального института здоровья США Майкл Заслофф обратил внимание на то, что лягушки, изучением которых он в то время занимался, удивительно устойчивы к инфекции. Вообщето на материале лягушачьей икры Заслофф пытался разобраться, каким образом в клетках происходит передача генетической информации от гена к белку. Он вскрывал африканских шпорцевых лягушек, извлекал икру, а затем вновь зашивал. Иногда вода в аквариуме успевала помутнеть и испортиться, но лягушки — даже со свежими ранами — ничем не заражались.

Заслофф предположил, что лягушки выделяют какой- то антибиотик. Он несколько месяцев возился с лягушачьими шкурками, размалывал их и так, и этак, прежде чем сумел выделить необычное вещество, уничтожающее бактерии. Вещество оказалось короткой цепочкой аминокислот — такназываемым пептидом. Вместе с другими исследователями Заслофф обнаружил, что работает это вещество на фундаментально иных принципах, чем все известные на тот момент антибиотики. Его молекула обладает отрицательным зарядом, что позволяет ей притягиваться к положительно заряженной мембране бактерии, но не к клеткам эукариот, в том числе человеческих. Вступив в контакт с бактерией, пептид проделывал в ее мембране отверстие, выпуская внутреннее содержимое микроорганизма наружу.

Заслофф понял, что наткнулся на огромную природную аптеку. Оказалось, что антимикробные пептиды синтезируются многими животными — от насекомых до акул и человека, и каждый вид может производить множество типов этих соединений. У нас, к примеру, антимикробные пептиды можно обнаружить на коже, а также на слизистой оболочке кишечника и легких. Стоит потерять способность к их производству, и человек становится опасно уязвимым. Такое заболевание, как муковисцидоз, возможно, возникает отчасти изза мутаций, которые отключают гены, отвечающие за производство антимикробных пептидов в легких. В результате бактерии в легких активно размножаются, и там накапливается вязкая жидкость.

Открыв антимикробные пептиды, Заслофф попытался превратить их в новые лекарственные средства. Такие лекарства могли бы помочь в борьбе с бактериями, развившими резистентность к традиционным антибиотикам. Мало того, могло оказаться, что к антимикробным пептидам невозможно приобрести резистентность: ведь для того, чтобы приобрести к ним устойчивость, бактерии должна были бы изменить способ построения внешней мембраны. Трудно было представить, как бактерии смогут осуществить столь фундаментальное изменение. Эксперименты тоже вроде бы подтверждали эти предположения. Ученые исследовали ряд мутантных штаммов E. coli, чтобы выяснить, не появятся ли бактерии, способные выдержать дозу антимикробных пептидов. Но этого не произошло.

Однако биолог — эволюционист Грэм Белл из Университета Макгилла в Монреале подозревал, что эволюционный потенциал E. coli может оказаться куда более мощным, чем считали ученые. Майкл Заслофф, к примеру, был с ним не согласен. Но, как всякий хороший ученый, он готов был подвергнуть свою гипотезу экспериментальной проверке. Он объединился с Беллом и его студентом Габриэлем Перроном, чтобы провести эксперимент. Что характерно, гипотеза не подтвердилась.

Исследователи начали с того, что подвергли E. coli действию антимикробного пептида очень низкой концентрации. Несколько микробов сумели уцелеть, и на их основе ученые получили новую колонию. Затем эту колонию подвергли действию того же пептида чуть более высокой концентрации. Опять же, большинство бактерий погибло, и все повторилось заново: концентрация антимикробного пептида была еще чуть — чуть повышена. E. coli продемонстрировала замечательную способность к эволюции. После всего лишь 600 поколений 30 из 32 колоний добились невозможного: развили у себя резистентность к полной дозе антимикробного пептида. Эти результаты породили серьезные опасения по поводу того, насколько эффективными могут оказаться антимикробные пептиды после появления на рынке. E. coli и другие бактерии, столкнувшиеся с низкими дозами антимикробных пептидов, получат возможность развить устойчивость к ним. Если это произойдет, они будут выдерживать все более и более высокие дозы, пока не станут полностью резистентными к этим лекарственным средствам.

Но если E. coli способна так быстро развить резистентность к антимикробным пептидам, то почему же они так эффективно защищали грязных лягушек Заслоффа? E. coli, как и другие бактерии, неразрывно связана в эволюционной гонке с животными, в которых она обычно обитает. Когда такое животное вырабатывает у себя новый антимикробный пептид, естественный отбор начинает благоприятствовать тем бактериям, которые смогут против него выстоять. Одна из распространенных стратегий бактерии — научиться производить фермент, способный разрезать новый пептид на кусочки прежде, чем тот успеет нанести вред.

После этого естественный отбор вновь начинает действовать на животное. Спасением от инфекций могут оказаться мутации, которые позволят животному блокировать новый фермент микроба. Эти мутации животное передаст своим потомкам. Животные защищаются от разрезающих пептиды ферментов тем, что делают пептиды более прочными. Их молекулы складываются в несколько раз и скрепляются дополнительными связями. Но бактерии изобрели контрстратегии и на этот случай. Некоторые виды выделяют белки, которые связывают антимикробные пептиды и не дают им внедриться в мембрану бактерии.

Для животного один из самых надежных способов преодолеть все эти стратегии состоит в том, чтобы производить множество различных видов антимикробных пептидов. Новые пептиды могут появиться в результате дупликации генов или в результате заимствования уже готовых пептидов, прежде выполнявших иные функции. Чем больше антимикробных пептидов производит животное, тем труднее бактериям вовремя их распознать. В результате гены антибактериальных пептидов претерпевают больше эволюционных изменений, чем любая другая группа генов в клетках млекопитающих.

В сравнении со сложными и постоянно меняющимися атаками на антимикробные пептиды эксперимент Белла и Заслоффа выглядит детской игрой. Ученые подвергли E. coli действию всего лишь одного антимикробного пептида и обеспечили серьезные преимущества мутантам, которые смогли при этом выжить. К несчастью, современная медицина работает скорее по схеме Белла и Заслоффа, чем по методикам естественной эволюции. Врачу для борьбы с инфекцией предлагается достаточно скромный выбор антибиотиков, да и пациенту, как правило, прописывают лишь один препарат. Всего за несколько лет такая практика приводит к возникновению резистентных бактерий. Возможно, нам удавалось бы более успешно бороться с бактериями, если бы новые лекарства быстрее проходили все этапы разработки и если бы врачи могли без опасений прописывать пациенту по нескольку препаратов сразу.

Способность E. coli к быстрому развитию резистентности должна преподать нам немало уроков. Возможно, самый поразительный урок заключается в том, что человеческое тело, как и тела наших предков, фактически работает как фармацевтическая лаборатория.

Эволюция на заказ

Когда в 1942 г. Сальвадор Лурия открыл закономерности, согласно которым у E. coli развивается сопротивляемость к вирусам, он получил первые убедительные доказательства случайности и ненаправленности мутаций. С тех пор было проведено огромное число экспериментов как на E. coli, так и на многих других видах. Подтвердилось, что частота мутаций достаточно стабильна. Но результаты некоторых экспериментов на E. coli возбудили у ученых неожиданные сомнения. Что если мутации не так слепы, как принято считать?

Химик Флойд Ромесберг из Научно — исследовательского института Скриппса провел эксперимент и посмотрел, как E. coli приобретает резистентность к антибиотикам. В качестве действующего вещества он выбрал ципрофлоксацин (торговое название — ципро). Впервые этот антибиотик появился еще в 1980–е гг. как перспективная замена старым лекарственным средствам, которые начали терять эффективность. Однако уже через несколько лет после начала применения этого антибиотика появились первые сообщения о резистентных к нему микроорганизмах. При этом в разных частях света устойчивые к ципрофлоксацину бактерии встречаются с разной частотой. В Германии, к примеру, в 2002 г. резистентными к ципро были примерно 15 % E. coli. В Китае в том же году в одном из исследований получились значительно более высокие показатели — 59 %.

Чтобы понять, как появляются у E. coli гены устойчивости к ципрофлоксацину, Ромесберг с коллегами вводили шестинедельным мышам болезнетворный штамм E. coli. После этого они вводили им ципрофлоксацин, и инфекция пропадала — по крайней мере на первый взгляд. Но через три дня она возобновлялась. Когда ученые проверили новые бактерии, выяснилось, чт за это время E. coli стала в 50 раз более устойчивой к ципро, чем была в начале эксперимента.

Ципро убивает E. coli, обманом вынуждая ее совершить самоубийство. Известно, что он вмешивается в процесс производства фермента топоизомеразы, который умеет разрезать и вновь сшивать молекулы ДНК. Такое умение становится необходимым бактерии всякий раз, когда ее ДНК запутывается. Ципро не позволяет топоизомеразе завершить работу и сшить разрезанную ею ДНК. Свободные концы разрезанной молекулы привлекают другие ферменты, специализирующиеся на разрушении изолированных кусочков ДНК. Эти ферменты разрушают большую часть хромосомы E. coli и убивают бактерию.

Ромесбергу пришло в голову, что действие ципро может этим не ограничиваться; возможно, он, помимо всего прочего, заставляет E. coli мутировать быстрее. Известно, что E. coli исправляет поврежденную ДНК при помощи ферментов ДНК — полимераз. Бактерия синтезирует два вида ДНК — полимераз: один из них производит исправление (репарацию) молекулы с высокой точностью, а другой — с низкой. Как правило, необходимым исправлением молекул ДНК занимается высокоточная ДНК — полимераза; при этом гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности, блокированы белком, получившим название LexA. Но когда E. coli попадает в критическую ситуацию, все меняется. Если выясняется, что бактерия перегружена большим количеством поврежденной ДНК, LexA освобождает гены ДНК- полимеразы низкой точности, и та тоже принимает участие в репарации ДНК E. coli. Однако работу она делает менее аккуратно и точно, оставляя после себя большее количество мутаций.

Ромесберг подумал: что если эти дополнительные мутации помогают E. coli быстрее развивать устойчивость к ципрофлоксацину? Конечно, в большинстве своем мутации могут оказаться вредными для бактерии, но некоторые могут привести к созданию такой топоизомеразы, которая способна делать свою работу и сшивать ДНК даже в присутствии антибиотика. Возможно также, что эти дополнительные мутации возникают только во время подобных кризисов. Как только E. coli вновь обретет способность резать и сшивать ДНК, количество ее бесхозных кусочков резко уменьшится. LexA вновь блокирует гены, кодирующие ДНК — полимеразу низкой точности, и подавляет их активность, а значит, E. coli возвращается к более аккуратной и точной репарации ДНК.

Ромесберг с коллегами проверил свою гипотезу при помощи весьма остроумного эксперимента. Исследователи создали штамм E. coli, в котором белок LexA постоянно блокировал гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности. Столкнувшись с ципрофлоксацином, такие бактерии продолжали как ни в чем не бывало исправлять свою ДНК с высочайшей точностью. Ромесберг и его коллеги ввели полученный штамм мышам, а затем дали им антибиотик. В 2005 г. ученые опубликовали результаты своего эксперимента: E. coli, не способная мутировать чаще, вообще не сумела развить у себя устойчивость к ципрофлок- сацину.

Эксперимент Ромесберга наглядно продемонстрировал, что мутации могут быть не настолько случайными и слепыми, как считалось раньше. Возможно, E. coli, вместо того чтобы пассивно коллекционировать мутации, изобрела способ управлять ими к собственной выгоде.

Первые намеки на существование не слишком случайных мутаций были получены в эксперименте 1988 г., который можно назвать «кругом вода, а с питьем беда». Джон Кейрнс, работавший тогда в Гарварде, вместе с коллегами получил мутантный штамм E. coli, почти совершенно не способный утилизировать лактозу. Его lас — оперон был в полном порядке, a вот последовательность нуклеотидов промотора[20], задача которого — включать оперон, была слегка изменена. Затем Кейрнс и его коллеги перестали давать своим бактериям какую бы то ни было пищу, кроме лактозы. Бактерии перестали размножаться и начали голодать. Однако полностью они все же не вымерли.

Через шесть дней появилось около 100 новых колоний. Кейрнс проверил lас — оперон бактерий и обнаружил у них новую мутацию, которая вновь позволила им включать этот оперон. Но если бы бактерии мутировали спонтанно с обычной частотой, то за это время они, по оценке Кейрнса, успели бы образовать лишь одну колонию. Вывод ученого был прост: подопытные бактерии обзавелись работающими генами в сто раз быстрее, чем можно было ожидать.

«Возможно, у клеток есть способы выбирать, какие именно мутации будут происходить», — констатировали Кейрнс и его соавторы.

«Направленные мутации» — именно под таким названием стало известно это явление — вызвали настоящую бурю. Мысль о том, что E. coli способна в кризисной ситуации заставить мутировать конкретный ограниченный участок ДНК, попахивала ламаркизмом. Критики обвиняли Кейрнса практически в мистицизме: ведь согласно его гипотезе E. coli должна понимать, что мутации конкретного участка ДНК помогут ей справиться с конкретной критической ситуацией. Последовала целая волна новых исследований; ученые пытались понять, что всетаки происходит.

В конце концов научная общественность пришла к единому мнению: загадочные мутации не являются в строгом смысле слова направленными и не предназначены для достижения какойто конкретной цели. У многих бактерий, переживших голод и вновь получивших способность использовать в качестве источника питания лактозу, обнаружились и другие мутации, на этот раз в генах, не имевших никакого отношения к лактозе. Вместо «направленных мутаций» ученые заговорили о «гипермутировании». Добавляя к слову приставку «гипер», они подразумевали, что в критической ситуации частота мутаций у E. coli может подскочить в сто, а то и в тысячу раз. Исследования показали, что ДНК — полимеразы низкой точности и есть те ферменты, которые вызывают дополнительные мутации.

Некоторые ученые утверждают, что гипермутирование — элегантная стратегия борьбы с вымиранием. В нормальных условиях естественный отбор благоприятствует низкой частоте мутаций, поскольку в большинстве своем мутации вредны. Но в критических, стрессовых ситуациях дополнительные мутации резко повышают шансы на то, что вид сумеет — и успеет — случайным перебором вариантов найти выход из кризисной ситуации. Чтобы избежать голода, E. coli не обязательно знать, что для этого хватит одной крохотной мутации в переключателе, который управляет работой генов, участвующих в метаболизме лактозы. Ей просто придется испытать разные варианты изменений ДНК и в конце концов добраться до нужного варианта.

В гипермутировании заключается очевидный риск: вместе с необходимой благоприятной мутацией оно может породить множество мутаций вредных. Сьюзен Розенберг из Бейлоровского медицинского колледжа в Техасе и ее коллеги считают, что E. coli минимизирует этот риск, распределяя его на всю колонию. Когда у E. coli в критической ситуации происходят дополнительные мутации, у каждой отдельной бактерии изменяется литтть один крохотный участок ДНК. Естественно, у разных микроорганизмов эта область мутаций приходится на разные участки молекулы; в противном случае каждая особь получила бы множество неблагоприятных мутаций, рассредоточенных по всему геному. В то же время в многочисленной колонии могут быть одновременно опробованы новые версии едва ли не всех генов. Если хотя бы несколько бактерий наткнется на удачный вариант, эти особи тут же начнут стремительно размножаться.

Возможно, гипермутирование для E. coli — хороший способ справиться со стрессом, но возник этот механизм по совершенно иным причинам. Оливье Тенайон из Национального института здоровья и медицинских исследований Франции указывает, что для синтеза высокоточных ДНК — полимераз требуется немало энергии и материалов.

Может быть, в моменты стресса E. coli просто не может позволить себе роскоши тщательной и точной репарации ДНК. Вместо этого она обращается к ДНК — полимеразам низкой точности. Работают они, конечно, весьма небрежно, но зато E. coli укладывается в энергетическую смету. На самомделе естественный отбор, предполагает Тенайон, благоприятствует вовсе не высокой частоте мутаций, а просто возможности энергетически менее затратного исправления ДНК.

Но даже если кардинальное изменение частоты мутаций у бактерий возникло как побочный эффект, в определенных обстоятельствах оно все же может быть полезным. Тенайон с коллегами продемонстрировал, что у E. coli частота мутаций различается чрезвычайно сильно. В стрессовой ситуации одна бактерия может мутировать в тысячу раз быстрее другой. Должно быть, такой огромной разницей микроорганизмы обязаны генам, отвечающим за гипермутирование, которые могут передаваться от поколения к поколению.

Вполне возможно, что в разных ситуациях естественный отбор подхватывает варианты с разной частотой мутаций. Тенайон и его коллеги отслеживали среднюю частоту мутаций у E. coli при колонизации ею мыши. В самом начале колонизации, когда бактерии испытывали сильный стресс, наибольшее распространение в популяции имели особи с высокой частотой мутаций. Когда же бактериям удавалось основать в кишечнике мыши стабильные колонии, первенство переходило к редко мутирующим особям. Антибиотики, вероятно, также приводят к появлению множества часто мутирующих особей, потому что у них устойчивость к лекарству может появиться быстрее, чем среди бактерий, которые мутируют реже.

Некоторые критики скептически настроены по отношению к направленным мутациям, гипермутациям и их «идеологическим» следствиям. Так, Джон Рот из Калифорнийского университета в Дэвисе и Дан Андерссон из Уппсальского университета в Швеции полагают, что Кейрнс в своих первоначальных экспериментах не открыл ничего необычного. Просто у бактерий, которые он использовал, lас — оперон не был заблокирован полностью и мог все же производить нужные белки, хотя и в очень небольшом количестве; и это позволяло бактериям не погибнуть от голода. При этом вполне могло быть так, что обычная случайная мутация удвоила у одной из бактерий lас — оперон, позволивший ей утилизировать больше лактозы и размножаться быстрее. У когото из потомков этой бактерии могла столь же случайно возникнуть третья копия этого участка ДНК, и естественный отбор в условиях эксперимента подхватил и эту мутацию.

Таким образом, утверждают Рот и Андерссон, E. coli вполне может расширить свою коллекцию генов лактозного оперона посредством всего лишь обычных спонтанных мутаций и естественного отбора. Кстати, по мере роста числа копий lac — оперона вероятность того, что какаянибудь случайная мутация восстановит одну из них до нормального рабочего состояния, также возрастает. Бактерии, которым так повезет, внезапно начнут размножаться намного быстрее, чем остальные. Позже новые мутации, возможно, избавят их от лишних дефектных копий, оставив одну нормально работающую. По мнению Рота и Андерссона, этот процесс может создавать иллюзию направленных мутаций при полном отсутствии таковых.

Дебаты на эту тему продолжаются с неослабевающей силой. Следует отметить, что вопрос этот важен как для реальной медицинской практики, так и в научном плане для понимания механизмов жизни. Если для выживания микроорганизмам действительно необходимо регулировать частоту мутаций, то мы, вмешавшись в механизм такого управления, возможно, научимся убивать бактерии более эффективно. Как мы помним, Флойд Ромесберг показал, что, если не дать E. coli повысить частоту мутаций, устойчивость у нее не разовьется. В настоящее время он и его коллеги пытаются разработать на основе своего открытия конкретные методы лечения. Они надеются, что когданибудь человек одновременно с антибиотиком будет принимать особое лекарство, которое не позволит микроорганизмам увеличить частоту мутаций.

Некоторые ученые полагают, что животные и растения способны манипулировать мутациями в любых стрессовых ситуациях. Сьюзен Линдквист с коллегами из Института Уайтхеда в Кембридже (штат Массачусетс) обнаружили, что у плодовых мушек имеется своеобразный буфер, который в какойто степени защищает их от последствий вредных мутаций. Так, неблагоприятная мутация может привести к тому, что геометрическая форма, в которую сворачиваются молекулы определенного белка, будет неправильной. Но у плодовой мушки есть белки теплового шока, способные вернуть этим молекулам правильную форму. Линдквист утверждает, что генетическое разнообразие плодовых мушек намного шире, чем было бы возможно без помощи белков теплового шока.

Линдквист обнаружила, что стресс выявляет подобные мутации. Если в окружающей среде поднимается температура или появляются токсические вещества, даже нормальные белки в клетках мух утрачивают нормальную форму. Белки теплового шока работают на пределе возможностей и не успевают придать всем мутантным белкам правильную форму Эти белки могут очень заметно влиять на внешний вид мушек, меняя цвет глаз, форму крыльев или другие части тела.

Линдквист предполагает, что белки теплового шока позволяют мушкам накопить запас мутаций, преимуществами которых мушки могут воспользоваться в моменты стресса, не испытывая при этом в более спокойные времена никаких отрицательных воздействий с их стороны. Проявившаяся в критический момент мутация может оказаться полезной для организма, а дальнейшие мутации, возможно, позволят ей работать и после исчезновения стресса. Линдквист с коллегами нашла аналогичный буфер мутаций у растений и грибов; это позволяет предположить, что такая стратегия обычна для живых организмов. Механизм, предложенный Линдквист, немного отличается от процесса гипермутирования у E. coli, но дает, по существу, те же фундаментальные преимущества: он позволяет обуздать творческий потенциал мутаций и одновременно минимизировать связанные с ними риски.

Но выясняется, что увеличение числа копий генов по Роту и Андерссону является механизмом, применяемым не только лишенной лактозы E. coli. Приобретение дополнительных копий уже имеющегося гена может помочь множеству живых организмов адаптироваться к новым для них неблагоприятным условиям среды.

Представьте, что микроорганизм сталкивается с новым видом питательных веществ, с которым никогда не встречались его предки. Все ферменты, которые он использует при переработке пищи, в результате естественного отбора настроены на расщепление других молекул. Это, впрочем, не обязательно означает, что микроорганизм не способен утилизировать другие соединения; ферменты вообще настраиваются не слишком точно. Фермент, который очень эффективно разрезает на части молекулы одного типа, может расщеплять молекулы и другого типа, но медленнее и более неуклюже. Если в результате мутаций микроорганизм окажется обладателем нескольких копий гена, он сможет расщеплять новые для него молекулы питательных веществ в большем количестве.

Биолог Итиро Мацумура из Университета Эмори показал на примере E. coli, насколько неразборчивыми могут быть ферменты. Мацумура и его коллеги создали 104 штамма E. coli, у каждого из которых не хватало какогонибудь абсолютно необходимого для жизни гена. Затем они создали тысячи плазмид, в которых содержалось по несколько экземпляров другого гена E. coli. Исследователи добавляли такие плазмиды к лишенному необходимого гена штамму и смотрели, не смогут ли эти гены заместить ген, удаленный Мацумурой. Ученым удалось «оживить» таким образом 21 из 104 штаммов.

Эксперимент Мацумуры помог обнаружить у E. coli скрытую пластичность, позволяющую ей приспосабливаться к новым условиям. Не исключено, что и другие виды используют подобные возможности своей ДНК. По мере того как в геноме возникают дополнительные копии генов, микроорганизмы получают возможность более эффективно расщеплять новой питательный субстрат, или обезвреживать какойто яд, или справляться с беспрецедентно высокой температурой. Со временем одна из копий гена может измениться и обрести намного более эффективную форму; остальные копии после этого могут постепенно исчезнуть.

Умножение генов может играть творческую роль в эволюционном процессе, но оно же может подвергнуть человека смертельной опасности. Подобно E. coli, клетки нашег тела иногда мутируют и (в очень редких случаях) вступают на дорогу в конце которой их ждет превращение в раковые клетки. Они перестают подчиняться механизмам регулирования, сдерживающим рост нормальных клеток. Пока они продолжают делиться и мутировать, новые мутации делают их все более агрессивными и придают способность уходить изпод удара иммунной системы. Подобно E. coli, пытающейся приспособиться к питанию лактозой, эти клетки сталкиваются в процессе роста с множеством самых разных препятствий. Любая мутация, способная помочь им преодолеть эти препятствия, подхватывается естественным отбором. Мутации умеют создавать дополнительные копии генов, которые позволят клеткам опухоли размножаться быстрее или, к примеру, успешно сопротивляться химиотерапии. Некоторые из этих дополнительных генов могут принять на себя новые функции и сделать тем самым опухоль еще более опасной.

В общем, иногда E. coli слитком похожа на слона, чтобы слон мог чувствовать себя в безопасности.

Гены в подарок

Вторая мировая война, как и любая другая, предоставила E. coli богатейшие возможности для убийства. Штаммы, вызывающие дизентерию и называвшиеся тогда Shigella, носились по полям сражений и оккупировали города один за другим, убивая без счета. В конце войны шигелла отступила с территории тех стран, которые сумели быстро восстановить канализацию и наладить снабжение чистой водой. Однако там, где с водой были проблемы, — в бедных странах Африки, Латинской Америки и значительной части Азии — шигелла продолжала благоденствовать. Единственным исключением из этого правила оказалась Япония. Эта потерпевшая поражение страна всетаки наладила очистку воды, и за первые два года случаев дизентерии стало гораздо меньше. Но затем, по какойто необъяснимой причине, болезнь вернулась. Если в 1948 г. шигелла стала причиной менее чем 20000 случаев болезни, то в 1952 г. их было уже более 110 000.

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 какогонибудь типа, бактерии часто приобретали резистентность и к другим антибиотикам, которых данный пациент никогда не принимал.

Пытаясь хоть както 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 какогото другого вида бактерий, обитающего в кишечнике. В редких случаях резистентная бактерия передавала свои гены комуто 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 достиженими 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

Молодой вид

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.

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 какимнибудь 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, изза 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.

Геномы венна

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 соеинения, 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.

Еще в 1970–е гг. ученые начали сравнивать небольшие фрагменты ДНК разных штаммов E. coli. Фрагменты оказались практически идентичными как по последовательности генов, так и по расположению в хромосоме. Ученым удалось даже найти соответствующие генные фрагменты в ДНК бактерии Salmonella enterica. На основании этих данных многие ученые полагали, что весь геном E. coli устроен по той же схеме. Им казалось, что эволюционная история E. coli была гладкой и последовательной. Бактерия — предок дала начало множеству линий, некоторые из них эволюционировали в сегодняшние штаммы. В каждой линии, естественно, возникали мутации, часть их подхватывалась естественным отбором; в этом случае мутанты вытесняли менее удачливых родичей. Горизонтальный перенос, возможно, добавил в геном несколько генов от других видов бактерий, но многие ученые, несмотря на работу Ледерберга и Ватанабэ, считали, что такой перенос всегда был редким явлением.

Когда же ученые получили наконец возможность сравнить два генома, удивлению их не было предела. В геноме каждого штамма обнаружились обширные участки ДНК, не имевшие очевидных соответствий со вторым штаммом. Оказалось, что в ДНК штамма 0157: Н7 присутствует 5,5 млн пар нуклеотидов, тогда как у К-12 их всего 4,6 млн. Примерно 1,34 млн пар нуклеотидов штамма 0157: Н7 попросту отсутствуют у К-12, а более чем 0,5 млн пар нуклеотидов К-12 не имеют соответствия в ДНК 0157: Н7. Кроме того, ученые составили карту обоих геномов; картина получилась аналогичная. У штамма К-12 есть 4405 генов, из которых 528 не имеет аналога в геноме 0157: Н7; примерно 1387 генов штамма 0157: Н7 отсутствуют в геноме К-12.

Каждый из рассмотренных геномов напоминает круг на диаграмме Венна[21]. Пересечение кругов штаммов К-12 и 0157: Н7 представляет основу генома — гены, присутствующие в обоих штаммах и унаследованные бактериями от общего предка. После расхождения линий каждая из них приобрела немало новых генов. Речь, разумеется, не только о тех нескольких генах, которые обеспечивают бактерии резистентность к антибиотикам. Оба штамма приобрели сотни «собственных» генов, которые сегодня составляют до четверти их генома.

Через год после расшифровки генома штамма 0157: Н7 еще одна группа исследователей опубликовала расшифровку генома третьего штамма E. coli — CFT073. Он населяет кишечник, не причиняя никому вреда, но при попадании в мочевой пузырь может вызвать болезненную инфекцию. Ученые обнаружили, что геном этого штамма представляет собой третий круг диаграммы Венна для E. coli. У CFT073 есть некоторое количество генов, общих с К-12, которых нет у 0157: Н7. Некоторые его общие с 0157: Н7 гены отсутствуют у К-12. Но для 1623 генов этого штамма ученым не удалось обнаружить соответствия ни в одном из двух других штаммов. В центре новой диаграммы Венна образовалась новая сердцевина из генов, которыми обладают все исследованные штаммы E. coli. Вошло в нее всего 40 % генов. Сердцевина — основа, общая для всех штаммов вида, — сжимается.

К моменту написания этой книги уже секвенированы геномы примерно 30 штаммов E. coli, но гораздо большее число штаммов еще ждет своего исследователя. С каждым новым штаммом ученые открывают десятки и даже сотни новых генов, которых нет больше ни у одного другого штамма бактерии. У каждого есть гены, общие с несколькими другими штаммами. Список генов, общих для всех штаммов E. coli, все укорачивается, в то время как список обнаруженных хотя бы у одного штамма — расширяется. Ученые называют эту совокупность генов E. coli пангеномом. В нем в настоящий момент насчитывается около 11 000 генов, и, по некоторым оценкам, при подобных темпах вскоре их количество может превысить 18 000.

Открытие пангенома E. coli заставило ученых кардинально пересмотреть сложившиеся представления об эволюции этой бактерии. Такие характеристики, как последовательность и упорядоченность, меньше всего подходят для описания истории развития E. coli за последние 30 млн лет. С первых дней существования вида его геном получал стабильную подпитку новыми генами; часть их просто переходила от одного штамма E. coli к другому, а часть поступала извне, от других видов.

Чужеродная ДНК проникает в геном E. coli несколькими путями. Часть ее передается с плазмидами — крохотными кольцевыми ДНК. Часть приносят заражающие E. coli вирусы — иногда всего один — два гена, иногда десятки. Эти генные кассеты, как их иногда называют, представляют собой отнюдь не случайную последовательность нуклеотидов. Как правило, они содержат всю генетическую информацию, необходимую для построения сложной структуры, такой, например, как «шприц» для впрыскивания токсинов. Чужеродные гены становятся частью генома одного из штаммов E. coli и в дальнейшем передаются по наследству от поколения к поколению. А с тонкой настройкой полученных извне генов под конкретный образ жизни бактерии справляется и обычный механизм естественного отбора. Бывает и так, что происходит горизонтальный перенос генов к новому хозяину.

Следует отметить, что вирусы быстро теряют прежнюю репутацию незначительных паразитов. Вирусы — самая многочисленная форма жизни на Земле; их численность в настоящее время оценивается приблизительно в 10 особей — миллиард миллиардов триллионов! Не исключено также, что большая часть разнообразия генетической информации заключена в геноме вирусов. Только в кишечнике человека обитает, по оценкам ученых, около 1000 видов вирусов. А поскольку вирусы способны переносить гены хозяина и встраивать их в ДНК других хозяев, они таким образом создают своеобразную эволюционную матрицу, посредством которой ДНК может передаваться от одного вида другому. Согласно одной из оценок, в океане вирусы передают гены новым хозяевам 2 квадриллиона раз в секунду.

По странному совпадению как раз в то время, когда ученые открывали для себя эволюционное значение вирусов, компьютерщики создали хороший аналог, наглядно демонстрирующий способ их действия. В конце 1990–х гг. в Америке сформировалась группа компьютерных программистов, которых откровенно не устраивали медленные темпы развития программного обеспечения. Корпорации, конечно, разрабатывали новые программы, но при этом тщательно следили за тем, чтобы никто посторонний не увидел их исходного текста. Развитие таких программ могло идти только в рамках корпорации — владельца — и шло медленно, а то и вовсе прекращалось. В 1998 г. эти несогласные компьютерщики выпустили манифест, в котором выступили за создание ПО на новых принципах, которое они назвали программным обеспечением с открытым исходным кодом. Они начали писать программы, полный текст которых был доступен всем желающим. Другие программисты могли переделывать их, как им вздумается, или объединять части разных программ в одну, совершенно новую. Представители движения за программы с открытым кодом предсказывали, что такой неконтролируемый обмен фрагментами текста позволит быстрее разрабатывать качественные и разнообразные программы. Исследования показали, что устранение недоработок и ошибок в программах с открытым кодом тоже идет быстрее, чем в закрытых корпоративных системах. В настоящее время программное обеспечение с открытым кодом — уже не манифест, а реальность. Даже крупные корпорации, такие как Microsoft, начинают открывать миру некоторые свои программные разработки.

В 2005 г. микробиолог из Университета Джорджии Энн Саммерс с коллегами пустила в оборот новый термин для эволюции, главной движущей силой которой служит горизонтальный перенос генов: она назвала это явление эволюцией с открытым кодом. Вертикальный перенос генов и естественный отбор работают примерно как корпоративная команда разработчиков программ; подробности их нововведений скрыты от общества. Горизонтальный перенос генов позволяет E. coli захватывать кусочки программного кода и тестировать их в своей операционной системе. В некоторых случаях новая комбинация означает катастрофу для организма. Программа отказывает, и организм погибает. Но в других случаях дальнейшая тонкая настройка, которую проводит естественный отбор, позволяет новому сочетанию генов работать — и не просто работать, а работать хорошо. Позже этот улучшенный кусочек может попасть в геном еще какогонибудь организма и совершенствоваться дальше.

Если судить по E. coli, у движения за открытый код блестящее будущее.

Откуда берутся убийцы

Наряду с множеством усовершенствований для человека эволюция с открытым кодом означает множество новых болезней. Когда Киёси Сига открыл шигеллу, он считал ее отдельным видом, и несколько поколений ученых после него также рассматривали эту бактерию как отдельный вид. Только в 1990–е гг., начав разбираться в геноме, исследователи поняли, что на самом деле шигелла — всего лишь особенно зловредная для человека форма E. coli. Детальное сравнение показало, что шигелла — это множество различных штаммов, причем многие из них ближе к безобидным штаммам E. coli, чем к своим собратьям, другим штаммам шигеллы. Иными словами, Shigella не является биологическим видом. Это даже не штамм. Это, скорее, форма существования, к которой пришли несколько отдельных линий E. coli.

Как правило, штаммы шигеллы стали результатом развития менее изощренных паразитов. Их предки закреплялись на поверхности клеток кишечного эпителия и вводили внутрь клетки — хозяина химические вещества, которые заставляли ее выпустить наружу часть содержимого. (Многие штаммы E. coli и сегодня ведут примерно такой образ жизни.) Со временем предки шигеллы обзавелись новыми генами, которые позволили им внедряться в клетки и двигаться внутри них, избегая таким образом внимания иммунной системы и манипулируя ею. Все эти инновации появились не одномоментно и не у одной линии E. coli. Это происходило много раз.

Следует заметить, что для шигеллы важны не только те гены, которые она приобрела в процессе эволюции, но и те, что потеряла. К примеру, жгутики, конечно, прекрасно подходят для путешествия по кишечнику, но бесполезны внутри клетки — хозяина. В результате ни один из штаммов шигеллы не умеет образовывать жгутики, хотя у них и сохранились блокированные версии необходимых для этого генов. Кроме того, у шигеллы имеются блокированные гены для расщепления лактозы и других сахаров, которыми она давно уже не питается. Отказалась она и от фермента под названием кадаверин, который другие штаммы E. coli производят для защиты от кислоты. (Другие бактерии производят эту отвратительно пахнущую субстанцию при питании тканями трупа — отсюда и название.) Для шигеллы кадаверин попросту вреден, потому что он замедляет миграцию иммунных клеток сквозь стенку кишечника. Шигелла же заинтересована в миграции этих клеток — ведь через проходы, открываемые иммунными клетками, она проникает в ткани кишечника, где и внедряется в клетки. В результате у всех штаммов шигеллы один из генов, необходимых для синтеза кадаверина, отключен.

Другие штаммы E. coli произвели на свет целый набор патогенных микроорганизмов, и их геномы до сих пор несут следы этой трансформации. Горизонтальный перенос, потеря генов и естественный отбор тоже сыграли свою роль в этих процессах. Ученые, изучающие E. coli 0157: Н7 — штамм, которым человек может заразиться, съев, к примеру, загрязненные шпинат или гамбургер, — восстановили эволюцию этой бактерии практически шаг за шагом. Ее предки были далеко не так патогенны, но около 55000 лет назад они были инфицированы целым набором вирусов, каждый из которых добавил новое оружие к арсеналу бактерии. К примеру, ген, кодирующий сильнодействующий токсин, который делает штамм E. coli 0157: Н7 столь опасным, располагается между генами вируса. Этот вирус встроился в геном E. coli совсем недавно, поэтому он все еще производит новые вирусы, которые способны покидать бактериальную клетку.

Однако ученые, исследующие E. coli 0157: Н7, столкнулись со странным парадоксом. Другие болезнетворные штаммы E. coli, такие как Shigella, очень хорошо адаптированы к жизни в организме человека и редко обнаруживаются в организме других видов. Но с E. coli 0157: Н7 все наоборот. В организме человека она появляется редко (за что мы определенно можем быть ей благодарны), зато прекрасно себя чувствует в кишечнике коров и других домашних животных. Для нас она может оказаться смертельной, им же не наносит никакого вреда. Иными словами, к этим животным она адаптирована как безвредный жилец — нахлебник. Тот факт, что токсины E. coli 0157: Н7 вызывают у человека смертельно опасную болезнь, — всего лишь эволюционная случайность, ведь мы не являемся для нее обычными хозяевами.

Но если E. coli 0157: Н7 производит токсины не для того, чтобы использовать нас, то зачем она вообще носит в себе эти гены? Исследователи предположили, что бактерия вырабатывает этот токсин, чтобы помочь животному- хозяину. Ученые из Университета Айдахо обнаружили, что овцы, инфицированные E. coli 0157: Н7, лучше противостоят вызывающим рак вирусам, чем овцы без этого штамма. Может быть, E. coli 0157: Н7 стимулирует иммунную систему овец, а может, даже вызывает самоубийство клеток, зараженных канцерогенным вирусом, прежде чем они успевают образовать опухоль. Но возможно, что этот токсин — средство защиты самой бактерии. Может быть, при атаке простейших на колонию E. coli именно тем, кто вырабатывает этот токсин, удается отбиться от хищников.

Хотя E. coli 0157: Н7, возможно, приспосабливалась в ходе эволюции не к человеческому телу свою роль в преуспевании этого штамма человек все же сыграл. Исследования генома E. coli 0157: Н7 показывают, что это очень молодая эволюционная ветвь: всем ее наиболее распространенным формам меньше тысячи лет. Ученые полагают, что человек, одомашнив животных, создал идеальные условия для процветания E. coli 0157: Н7. Хозяева этой бактерии большую часть года стали проводить в большой скученности на фермах; там у E. coli, которую они выделяли с экскрементами, были гораздо лучшие шансы найти себе нового хозяина, чем если бы те же коровы обитали в дикой природе. В последние несколько столетий с увеличением поголовья скота произошел резкий рост численности E. coli 0157: Н7: сначала при появлении коров в Новом Свете и позже, когда началось промышленное разведение скота и в одном помещении стали содержать большое число животных. При этом бактерия благодаря нашим усилиям не просто размножилась и распространилась — не исключено, что она стала эволюционировать быстрее, потому что вирусы тоже получили возможность путешествовать от бактерии к бактерии, порождая все новые варианты штамма E. coli 0157: Н7.

Но эволюция E. coli — это не дорога в один конец, на которой безвредная бактерия неизбежно превращается в смертельно опасного паразита. Некоторые из самых смирных штаммов E. coli, наоборот, произошли от ее патогенных разновидностей. Один из таких штаммов — АО 34/6 — защищает хозяина от бактерий, вызывающих диарею. Врачи иногда прописывают его недоношенным детям, чтобы защитить их недоразвитый кишечник. В 2005 г. ученые опубликовали расшифровку генома штамма АО 34/86. Они обнаружили гены, отвечающие за синтез убивающих клетку факторов, белков, вызывающих кровотечения, и других видов оружия, которые активно используют 0157: Н7 и прочие смертельно опасные штаммы. Судя по всему, АО 34/86 использует все свои темные возможности нам во благо: он основывает колонии в кишечнике младенца и таким образом лишает болезнетворные штаммы возможности найти место для поселения. Мы, конечно, можем попытаться разграничить природное разнообразие и четко разделить E. coli на убийц и защитников. Но эволюция не склонна к однозначности и всегда размывает границы.

Одна жизнь, множество хозяев

Еще один пример размывания границ — тот рубеж, который пролегает между E. coli и инфицирующим ее вирусом. Эта граница кажется очевидной, когда видишь, как из лопнувшей оболочки E. coli выходят наружу сотни вирусов, чтобы заразить нового хозяина. В такой ситуации легко думать о них как о двух отдельных организмах. Но взаимоотношения E. coli с вирусами гораздо сложнее и многограннее. К примеру, умеренные бактериофаги могут, по крайней мере на время, встраиваться в хромосому микроорганизма. Но и здесь вирус еще держится за собственную идентичность. Он способен ощутить, когда хозяин начинает плохо себя чувствовать, и как раз в этот момент возвращается к привычной форме вируса- убийцы. А есть вирусы, которые тащат с собой груз генов, приносящих пользу хозяину, но бесполезных для них самих. Когда они встраиваются в геном E. coli, трудно определить, где кончается геном вируса и начинается геном хозяина. Некоторые вирусы оказываются пойманными в ловушку, навеки встроившись в геном E. coli благодаря мутациям, которые лишают их способности собирать новые вирусные частицы. Со временем мутационный процесс может привести к утрате большей части вирусной ДНК. Нетронутыми остаются лишь те гены, которые приносят хозяину пользу. Теперь с вирусами их связывает только происхождение.

Чтобы разобраться в непростых отношениях между E. coli и ее вирусами, полезно на время отказаться от обычной для человека позиции «я и все остальные» и подумать о жизни как о сложном и запутанном потоке генов. Гены, переносимые вирусом, в любой конкретный момент представляют собой сообщество эволюционных партнеров, чья совместная приспособленность выше, чем приспособленность любого из них в отдельности. Некоторые из этих сообществ благоденствуют лишь за счет того, что внедряются в хозяина и используют его для воспроизводства себе подобных. Но иногда случается, что интересы вируса и E. coli совпадают. К примеру, гены вируса будут тиражироваться успешнее, если вирус не станет убивать своего хозяина. Некоторые вирусы превращаются в своего рода странствующих добрых самаритян, приносящих с собой множество генов, полезных для хозяина, а в конечном итоге и для них самих. Путешествуя от одного биологического вида к другому, они испытывают все новые комбинации генов, и отбор подхватывает те из них, которые оказываются наиболее благоприятными для хозяина.

Отношения между вирусом и бактерией могут быть достаточно сложными; отношения вообще сложная штука. Так, вирус может быть одновременно полезным и вредным для своего хозяина — E. coli. К примеру, E. coli 0157: Н7 несет в себе гены вируса, в числе которых и ген, отвечающий за производство токсина. Возможно, бактерии получают пользу от производства токсина, поскольку он помогает защищаться от хищников; но для конкретных микроорганизмов, занимающихся его производством, ситуация выглядит далеко не так радужно. Вирус вынуждает микроорганизм производить одновременно и молекулы токсина, и новые копии самого вируса, и E. coli делает это, пока не лопнет.

Решение о производстве токсина принимает вирус, а не E. coli. Бактерия вырабатывает токсин в моменты стрессовых воздействий — именно поэтому врачи, как правило, при заболевании, вызванном E. coli 0157: Н7, не прописывают антибиотики. Лекарства стимулируют выход вирусов из клеток хозяина и тем самым превращают болезнь, которая могла ограничиться приступом кровавого поноса, в потенциально смертельное заболевание с отказом некоторых органов. Тот факт, что вирус, размножаясь, убивает хозяина, пробуждает в нас едва ли не жалость к E. coli 0157: Н7. Бактерия — точно такая же жертва вируса, как и человек. Даже после убийства первоначального хозяина вирусы продолжают наносить E. coli вред. Заражая обитающие в нашем кишечнике безвредные E. coli, они превращают их в фабрики по производству новых вирусов — и, разумеется, токсинов. Выработка токсинов после нападения вирусов на безвредные бактерии может возрасти тысячекратно.

Другие вирусы используют для выживания иные стратегии, не менее жестокие по отношению к E. coli. Вместо того чтобы убивать хозяина, они берут его в заложники. Один из таких вирусов — Р1 — несет ген, отвечающий за производство рестрикционного фермента, или рестриктазы. Рестриктаза находит в молекуле ДНК определенный участок, прикрепляется к нему, а затем разрезает ДНК в этом месте. Тем не менее вирус Р1 обычно не убивает E. coli. Для этого он синтезирует второй белок, который защищает бактерию от рестриктазы. Этот белок — ДНК — модифицирующий фермент метилаза — метилирует ДНК на тех же участках, где работает рестриктаза.

Почему вирус Р1 производит одновременно токсин и антидот? Как и многие вирусы, он встроен в плазмиды E. coli. Всякий раз, когда инфицированный микроорганизм делится, он создает новые копии и собственной ДНК, и плазмид, несущих на себе Р1; их наследуют оба потомка. Иногда, однако, происходит ошибка, и все плазмиды достаются только одному из них. Другая, свободная от вирусных плазмид бактерия, могла бы победить в соревновании за выживание, потому что ей не приходится тратить дополнительную энергию на копирование вирусной ДНК и производство его белков. Поэтому вирус Р1 убивает ее, хотя в бактерии его и нет. Но линия E. coli, однажды инфицированная вирусом Р1, уже не может без него жить и вот почему. Бактерия, которой не досталось плазмид, не получает вместе с ними и ДНК вируса, но какоето количество готовых молекул рестрикционного и модифицирующего ферментов при делении родителя в него все же попадает. Молекулы рестриктазы прочны и долговечны, в то время как метилаза живет недолго. Когда E. coli утрачивает вирус, ее ДНК постепенно деметилируется. В результате ДНК бактерии становится уязвимой для рестриктазы, и та убивает микроорганизм. Иными словами, если вирус Р1 инфицирует E. coli, жить без него она уже не способна.

Гены, отвечающие за производство рестриктазы и метилазы, имеются не только у Р1. В хромосоме E. coli их множество. Генетик Итидзо Кобаяси из Токийского университета утверждает, что все они берут начало от генов, которые, по сути, держат своего носителя в заложниках. Кобаяси указывает также, что рестриктазы и метилазы, возможно, позволяют вирусам побеждать другие вирусы, которые пытаются захватить их хозяина. Новый вирус, только что проникший в клетку E. coli, не имеет пока защиты, которой давно обзавелись резидентные вирусы, и открыт для атак рестриктаз. Действительно, рестриктазы и метилазы могли возникнуть как средство обеспечить безбедную жизнь паразиту, но некоторые из них, очевидно, давно уже перешли под управление хозяина, то есть E. coli. Убивая проникающие извне вирусы, они превратились в своего рода примитивную иммунную систему бактерии.

Подобные конфликты между генами наблюдаются практически у всех видов. Так, многие насекомые инфицированы микроорганизмом Wolbachia, который способен жить только внутри их клеток. Его выживание полностью зависит от того, будет ли он унаследован следующим поколением. У такой стратегии один серьезный недостаток: вольбахия не умеет инфицирвать сперму, а потому любой самец для нее — настоящий тупик. Иными словами, интересы генов вольбахии и хозяина — самца всегда противоречат друг другу.

Следует заметить, что вольбахия изобрела множество стратегий, нацеленных на победу в этой борьбе. У некоторых видов ос, к примеру, вольбахия какимто образом заставляет инфицированных самок производить на свет только самок; мало того, она изменяет их потомков таким образом, что им для размножения уже не нужно спариваться с самцами. У других видов вольбахия попросту убивает у инфицированной самки все яйца, из которых должны вывестись самцы. При этом бактерии в них тоже погибают, зато в целом такая стратегия обеспечивает вольбахии репродуктивный успех. Инфицированные вольбахией яйца с зародышами женского пола продолжают развиваться, и выводящимся из них личинкам — самкам не приходится конкурировать за пищу с братьями. Более того, братья становятся для них пищей. Иными словами, вольбахия использует некоторые из стратегий, при помощи которых вирусы благоденствуют, поселившись в клетке E. coli.

И скрытая от глаз война между паразитом и хозяином, и размывание понятия биологического вида могут комуто показаться явлениями чуждыми и нас совершенно не затрагивающими. Но дело в том, что человек вовсе не стоит над схваткой: мы и сами подвержены мощному формирующему влиянию вирусов. Конечно, большинство вирусов просто внедряется в наши клетки и заставляет их производить собственные копии, которые затем покидают прежнего хозяина и отправляются искать себе нового. Но некоторые вирусы умеют встраивать свой генетический материал в геном клетки — хозяина. Если им удается инфицировать сперматозоид или яйцеклетку, то эти вирусы передаются из поколения в поколение. Со временем вирусы мутируют и постепенно теряют способность покидать клетку — хозяина. А многие из них теряют и большинство своих генов. Остаются только инструкции по синтезу копий ДНК вируса и по встраиванию этой ДНК обратно в геном хозяина. В настоящий момент такие геномные паразиты составляют около 8 % человеческого генома. Недавние исследования позволяют предположить, что хозяину иногда удается обуздывать геномных паразитов и заставлять их работать на себя. В геноме человека немало важных генов, которые, отвечая за столь разные процессы, как, например, производство антител и образование плаценты, вероятно, развились из генов, когдато принадлежавших вирусам. Мы не выжили бы без вирусов — резидентов. Мы вновь и вновь убеждаемся: то, что верно для E. coli, верно и для слона. Где заканчиваются наши вирусы и начинаемся мы сами

Послания из глубины веков

Когда в 1997 г. ученые опубликовали первую версию расшифровки генома E. coli, статья вышла под заголовком «Полная нуклеотидная последовательность генома E. coli штамма К-12». Строго говоря, это название можно считать примером ложной рекламы. Нигде в тексте статьи невозможно было найти перечисление всех 4 639 221 нуклеотидов упомянутого генома. Упущение это объясняется просто недостатком места: полный геном E. coli К-12 занял бы около тысячи журнальных полос! Тем, кому захотелось бы увидеть непосредственно генетический код бактерии, предлагалось заглянуть в Интернет.

Среди сайтов, на которых размещается этот код, можно назвать «Энциклопедию генов и метаболизма E. coli К-12», или коротко ЕсоСус. Этот сайт показывает геном E. coli в виде горизонтальной строки на экране, где каждый 50 000–ный нуклеотид помечен специальным значком. Если щелкнуть мышкой по значку, обозначенному 1 000 000, на экране появится увеличенное изображение 20 000 нуклеотидов с центром в указанной точке генома. Выше строки имеется линейка, показывающая расположение отдельных генов. Щелкнув на линейке ген pyrD, вы увидите составляющую его последовательность нуклеотидов. Если вам захочется увидеть чтонибудь более осмысленное, вы сможете почитать о функции, которую выполняет этот ген (создает некоторые «кирпичики», из которых строится РНК). ЕсоСус предоставит вам также информацию обо всех генах, которые управляют работой pyrD.

Вообще, если достаточно долгое время листать ЕсоСус, может возникнуть странное впечатление. Начинает казаться, что геном E. coli напоминает инструкцию по эксплуатации сложного наноустройства, придуманного и сделанного какойто инопланетной цивилизацией. Ее геном содержит всю информацию, необходимую для сборки хитроумной машинки и управления ею. Эта машинка, подобно крохотному химическому заводу, легко расщепляет сахар; она способна плавать при помощи особых двигателей на протонах и умеет перепрограммировать свои системы, приспосабливаясь к чему угодно — от кислого желудочного сока до холодных сибирских зим.

Не стоит поддаваться этой иллюзии.

Изучив геном E. coli достаточно тщательно, вы найдете в нем сотни псевдогенов — инструкций с катастрофическими опечатками. Вы увидите гены вирусов, которые в стрессовой ситуации могут начать производить новые вирусные частицы, убивая тем самым своего хозяина. Другие инструкции почемуто оказываются неуклюжими, избыточными и излишне сложными. Третьи представляют собой откровенный плагиат и попросту скопированы гдето в другом месте.

Но там, где прекращает работать сравнение с инструкцией по эксплуатации, можно привлечь другие сравнения. Моя любимая метафора для генома — это старая зачитанная до дыр книга, хранящаяся в настоящий момент в Балтиморском музее искусств. Она была создана в X в. в Константинополе. Византийский переписчик скопировал на листы пергамента оригинальный греческий текст двух трактатов математика Архимеда. В 1229 г. священник по имени Иоганн Майронас разобрал книгу. Он смыл первоначальный греческий текст с пергамента при помощи сока или молока, убрал деревянные крышки и срезал корешок, а затем переписал на эти листы пергамента христианский молитвенник. Такой пергамент, использованный вторично, ученые называют палимпсестом.

Несмотря на все усилия Майронаса, палимпсест Архимеда сохранил следы первоначального текста. После этого молитвенник много раз передавали из одной церкви в другую; он обгорел во время пожара, был закапан свечным воском; его не раз освежали при помощи новых рисунков; на нем успел поселиться фиолетовый грибок. В 1907 г. датский ученый по имени Йохан Людвиг Хейберг обнаружил, что потрепанный молитвенник — на самом деле единственная уцелевшая копия трактатов Архимеда на оригинальном греческом языке. Но при помощи одного только увеличительного стекла Хейберг смог различить лишь отдельные небольшие отрывки первоначального текста. Сегодня, столетие спустя, реставраторы способны на большее. Листы с трактатами Архимеда просвечивают рентгеновскими лучами, которые заставляют светиться атомы железа в оригинальных чернилах, и греческий текст становится виден. Успех реставраторов позволил современным ученым разглядеть новые грани гения Архимеда. Оказывается, он думал над исчислением бесконечно малых, рассматривал бесконечность и другие концепции, которые после него были вновь открыты лишь спустя несколько столетий.

Так вот, геном E. coli — не инструкция по эксплуатации, а живой палимпсест. E. coli К-12,0157: Н7 и остальные штаммы произошли от общего предка, жившего на Земле несколько миллионов лет назад. А сам этот общий предок произошел от еще более древних микроорганизмов, история которых тянется в прошлое на миллиарды лет. Генетическая история E. coli осложнена мутациями, дупликацией генов, вставками и потерями нуклеотидов; тем не менее в ее геноме уцелели следы более древних слоев текста, как следы трудов Архимеда в христианском молитвеннике.

До недавнего времени ученые располагали лишь грубыми орудиями для чтения этих скрытых слоев. Они мучились и корпели над геномом, как Хейберг с лупой над случайно обнаруженным сокровищем. Сегодня у них гораздо больше возможностей для изучения палимпсеста. Как и древний трактат Архимеда, геном E. coli — это книга мудрости, в которой содержитя информация о том, как развивалась жизнь на Земле на протяжении миллиардов лет — как появлялись сложные генетические структуры, как эволюция, не обладая разумом, выполняла инженерную работу и конструировала живые существа. В геноме E. coli содержатся данные о ранних стадиях жизни на Земле, в том числе о том, каким был мир до возникновения ДНК. Не исключено, что когданибудь эта информация поможет ученым выяснить и происхождение самой жизни.

Древо жизни

Чтобы прочесть палимпсест E. coli, ученым пришлось разобраться, какие части ее генома возникли недавно, а какие давно. Ответ можно найти в генеалогии микроорганизмов. Генеалогическое древо ныне живущих штаммов E. coli указывает на то, что все они произошли от одного общего предка, жившего, вероятно, 10–30 млн лет назад.

Если продвинуться еще дальше в прошлое, оказывается, что у E. coli есть общий предок и с другими видами бактерий. Если зайти в прошлое достаточно далеко, можно в конце концов обнаружить общего предка всех живых существ, включая и нас.

Реконструкция древа жизни — того, на котором есть место и для E. coli, и для человека, и для всех остальных живых существ на Земле, — стала одной из величайших задач современной биологии. В 1837 г. Чарльз Дарвин нарисовал первую версию эволюционного древа. На страничке своей записной книжки он набросал несколько соединенных у основания ветвей и подписал у кончика каждой из них букву, обозначающую вид. А на самом верху странички написал: «Я думаю».

Тот факт, что разные виды происходят от одного общего предка, объясняет, почему они во многом так похожи друг на друга. Скажем, при всех огромных различиях между летучими мышами и человеком и мы, и они — теплокровные пятипалые млекопитающие. Сам Дарвин не пытался определить, в каких конкретно родственных отношениях состоят все ныне живущие виды, но через несколько лет после публикации «Происхождения видов» за это взялись другие натуралисты. Немецкий биолог Эрнст Геккель рисовал великолепные раскидистые деревья с изящными, одетыми в кору ветвями. Позже ученые обнаружили, что во многих отношениях эти изображения были точны. Но все дело портил колоссальный антропоцентризм Геккеля. Для него история жизни на Земле была в первую очередь историей нашего собственного вида. Его деревья чемто напоминали пластиковые новогодние елки: они представляли собой прямой вертикальный ствол, от которого во все стороны расходились ветки. Основание ствола Геккель подписал словом Moneran (им он обозначал бактерии и другие одноклеточные организмы). Выше по стволу располагались ветви, представляющие более близкие нам виды — губки, миноги, мыши. А на самой верхушке размещался, естественно, человек.

Отказаться от такого взгляда на жизнь было нелегко. Вероятно, именно ему мы обязаны решением разбить все живое на прокариоты и эукариоты, предположительно примитивные бактерии и развившиеся из них «продвинутые» виды, такие как Homo sapiens. Это глубоко неверная точка зрения. Эволюция жизни — не только движение от простого к сложному. E. coli, к примеру, — вид, замечательно приспособленный к жизни в организме теплокровных существ, которые появились на Земле на несколько миллиардов лет позже, чем возникла жизнь. Эти бактерии столь же современны, как и мы сами.

Потребовалось немало времени, чтобы в науке возобладал более точный образ эволюционного древа. Одним из серьезнейших препятствий было отсутствие информации о том, в каких именно родственных отношениях состоит E. coli с другими бактериями или другие бактерии с нами. Чтобы сравнить человека с летучей мышью, нам достаточно воспользоваться глазами и внимательно изучить с их помощью волосяной покров, пальцы и другие подробности нашей общей анатомии. Однако под микроскопом многие бактерии выглядят как неопределенного вида палочки или шарики. Иногда микробиологам приходилось классифицировать виды бактерий исключительно по тому, способны ли представители вида питаться определенными сахарами или какой цвет они приобретают при окрашивании фуксином. Только с зарождением молекулярной биологии ученые получили, наконец, инструменты, которые позволили им начать построение истинного древа жизни. Эксперименты на E. coli помогли понять, что все живые существа базируются на одном и том же генетическом коде и одинаково передают генетическую информацию своим потомкам. Эти общие черты унаследованы ими от общих предков.

В 1970–е гг. биолог из Университета Иллинойса в Урбана — Шампейн Карл Вёзе придумал, как можно использовать единство биохимических механизмов для построения древа жизни. Вёзе и его коллеги разобрали рибосому (фабрику по производству белка) на составные части и исследовали 16S рРНК (одну из основных молекул рибосомы). Происходило это задолго до того, как биологи научились легко читать последовательности нуклеотидов в РНК и ДНК. Вёзе с коллегами обошелся более простыми средствами: он разрезал 16S рРНК E. coli при помощи вирусного фермента. После этого он разрезал тот же участок рРНК у других микроорганизмов и проверил, насколько они похожи между собой. Выяснилось, что многие участки 16S рРНК у всех видов совершенно идентичны. Значит, эти участки молекулы не менялись миллиарды лет. Измененные же участки показывали, какие из видов связаны более близким родством, а какие — более далеким.

Полученные результаты были, конечно, довольно грубыми и предварительными; тем не менее их хватило, чтобы существовавший несколько десятков лет в микробиологии консенсус рассыпался в прах. Стандартная классификация многих групп бактерий оказалась ошибочной. Но самое поразительное заключалось в том, что, по данным Вёзе и его коллег, некоторые бактерии генетически стояли ближе к эукариотам, нежели к другим бактериям. Иными словами, они вовсе не были бактериями. Вёзе с коллегами объявили, что биологические виды делятся не на два основных надцарства (или домена — термин, введенный Вёзе), а на три; третий домен получил название Archaea, или археи.