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

«По оценке Христоса Узуниса и его коллег из Европейского института биоинформатики в Кембридже, полный геном общего предка содержал от 1000 до 1500 генов. Но даже если Узунис прав, у последнего общего предка всех живых существ было втрое или вчетверо меньше генов, чем имеет сегодня типичный штамм E. coli.»

Карл Циммер, популярный американский научный журналист и блогер, интересы которого распространяются на биологию и микробиологию, написал книгу всего лишь о маленькой бактерии, лишь об одной (и нескольких ее наиболее известных штаммах), показав на примере этой «рабочей лошадки» ученых то, как один маленький живой организм с богатой и древней родословной процессами своей жизнедеятельности может показать, какой Жизнь была, как она «работает» сейчас и, более того, какой она может стать в будущем. Escherichia coli всем известна под более простым названием «кишечная палочка». Каждый из нас хранит в своем кишечнике (и не только) ряд ее штаммов. В основном, эта бактерия безвредна и даже полезна для организма, однако, иногда она может мутировать в опасный штамм, выделяющий вредные токсины, вызывающие тяжелые отравления. Как бы то ни было, для ученых эта бактерия полезна всегда.

«По оценкам ученых, в кишечнике одного человека может сосуществовать до тысячи видов микроорганизмов; это означает, что если составить полный список всех генов, которые можно обнаружить в организме человека, то большинство их окажется нечеловеческими.»

Эта книга посвящена открытию, изучению и описанию этой бактерии. Она уникальна хотя бы тем, что является самым изученным живым организмом на земле. Ее геном практически полностью расшифрован. Изучено взаимное влияние генов и активно проводятся эксперименты в генной инженерии. Так, один из модифицированных штаммов Escherichia coli вырабатывает инсулин для 4 млн людей, страдающих от диабета. Такое маленькое, но такое значительное поле для экспериментов, как эта бактерия, дает неоценимо больше, чем просто эксперименты над ней и практическое применение их результатов. Т.к. все мы, согласно эволюционной теории, произошли от подобных E. Coli древних бактерий, то на основании ее мы можем изучать наше древнее биологическое прошлое, на ее небольшой бактериальной «схеме» мы можем изучить принципы питания, перестройки ДНК, самоограничения, защиты, размножения и прочих процессов, заложенных природой изначально и использующиеся во всех более поздних (и боле сложных) живых организмах, таких, как и мы сами. Изучая E. Coli мы изучаем себя. Для современной микробиологии Escherichia coli – это своеобразный испытательный стенд, на котором можно не только изучать ДНК, но и создавать свои модификации. Так ученым удалось создать «светящиеся» бактерии (поищите видео на ютьюб) или бактерии, отвечающие условиям языка программирования (ЕСЛИ, ИЛИ и пр.). Более того, удалось изучить, как ведет себя бактерия, как действует, как реагирует на стресс и среду. Так одним из «чудес» бактерии является биотехническое совершенство ее жгутика. Этот жгутик выглядит настолько сложным и эффективным, что креационисты использовали его в суде в роли доказательства Разумного Замысла (про это отдельная глава в книге). В целом, все это показывает, насколько даже в таком маленьком организме все сложно устроено. Мать природа перебрала миллионы вариантов и вариаций, сформировав базовые принципы органической химии и жизни на основе ДНК и РНК. И если лабораторные опыты подтверждают, что из E. coli можно «лепить» очень многое, то это очередной раз доказывает, что и природа могла сотворить такое, а еще, это показывает насколько сложны мы сами, будучи пра-пра-миллионажды раз ее наследниками. В этой книге много описаний биологических процессов: питание бактерии, размножение, передача ДНК, защита от вирусов, отращивание жгутика, «замораживание» бактерии с трудные времена, коллективное взаимодействие в виде бактериального ковра, смена рациона питания (расщепляемых сахаров) и пр. Все эти процессы весьма сложны и занимают в общем около трети книги. Потому, вот вам небольшой тест. Если указанная ниже типичная цитата покажется вам слишком сложной, то лучше отложите книгу на потом, а пока подготовьтесь на других материалах.

«E. coli, как правило, всегда делится почти точно посередине — и почти всегда в тот момент, когда две только что сформированные хромосомы успели разойтись в разные концы. Чтобы этот точно выверенный танец прошел без сбоев, нужна согласованная работа нескольких типов белков. Ключевой белок деления у большинства бактерий — белок FtsZ. Когда E. coli готова к делению, происходит полимеризация FtsZ, молекулы которого выстраиваются в кольцо вдоль внутренней цитоплазматической мембраны примерно посередине бактериальной клетки. Кольцо из полимеризовавшегося FtsZ — Z — кольцо — заякоривается на мембране при помощи «вспомогательных» белков и начинает постепенно сжиматься, образуя перетяжку; в результате формируются две дочерние клетки…»

*E. Coli и ее ДНК

Ну а теперь давайте поговорим о самой E. Coli цитатами из книги. Конечно, в первую очередь эта бактерия многое рассказала нам про гены и ДНК, их работу и влияние друг на друга, про универсальность биологических генных схем.

«Однако сами по себе гены мертвы, а их инструкции бессмысленны. Если каким‑то образом извлечь хромосому из клетки E. coli, то вне организма белки синтезироваться не будут. ДНК не сможет репродуцироваться. Эта хрупкая петелька попросту распадется. Так что познание генов живого организма — всего лишь первая ступень познания того, что для организма значит быть живым. <…> Идея Жакоба была настолько проста и элегантна, что любому человеку, не связанному с биологией, казалась самоочевидной. Тем не менее она представляла новый подход к проблеме жизни. Гены работают не по одному, а блоками. <…> E. coli и слон, похоже, не просто построены на базе одного и того же генетического кода. Вдобавок, они скомпонованы с использованием одних и тех же стандартных схемотехнических приемов. <…> Объедините гены в группы, и они смогут сделать намного больше, чем сделали бы по отдельности. Объедините группы в единую систему — и получите живой организм.»

В биологии часто встречается принцип «узкого горлышка», яркий тому пример единственная клетка зародыша. E. Coli устроена также, что позволяет ей легко управлять процессами и направлять их альтернативными путями (т.н. «схема бабочки»).

«И для работы Интернета, и для E. coli самое главное — центральный узел. Именно он позволяет той и другой сети работать даже при отказе каких‑то частей. Мутация, исключившая из арсенала бактерии одну из метаболических реакций, не убьет E. coli, потому что в «узле» есть и другие траектории, на которые она сможет перевести углерод. Интернет способен продолжать передачу данных даже после того, как откажет один из серверов, так же потому, что сообщения можно направить по другой траектории. Помимо всего прочего в обеих системах архитектура в виде «бабочки» помогает сберечь энергию. Если бы E. coli функционировала иначе, ей пришлось бы создавать особую цепочку ферментов для производства любой молекулы. Для каждого из этих ферментов.»

Почему E. Coli так полезна для кишечника:

«Не исключено, что, питаясь отходами, E. coli оказывает ответную услугу тем, кто ее этими отходами обеспечивает. Данные некоторых исследований позволяют предположить, что утилизация простых сахаров, которой занимается кишечная палочка, позволяет другим микробам быстрее расщеплять молекулы сложных сахаров. Кроме того, E. coli продолжает улавливать кислород — то небольшое его количество, которое время от времени накапливается в кишечнике. Удерживая содержание кислорода на стабильно низком уровне, E. coli обеспечивает большинству представителей нормальной микрофлоры комфортные условия. Именно эту экологическую нишу колонии E. coli занимают в организме хозяина в течение всей его дальнейшей жизни. В любой момент в кишечнике человека можно обнаружить до 30 штаммов этой бактерии. Люди, полностью свободные от E. coli, встречаются очень редко.»

Благодаря быстрому размножению и росту E. Coli можно изучать эволюцию буквально на ладони:

«Групповой отбор возможен, утверждал Гамильтон, но лишь в том случае, если в качестве группы рассматривать расширенную семью. Для популяции в целом не имеет значения, какая именно особь выживет, — важно лишь, чтобы их общие гены продолжали передаваться новым поколениям.»

E. Coli умеет не стареть, что могло бы пригодиться и нам:

«Десятки лет непрерывных наблюдений за E. coli убедили ученых в том, что смерть — вовсе не неизбежность. В благоприятных условиях E. coli способна вечно оставаться молодой. В этом заключалось по крайней мере одно фундаментальное отличие E. coli от человека.»

О старении и конкуренции клеток организма:

«Когда из оплодотворенной человеческой яйцеклетки начинает развиваться зародыш, в нем очень скоро выделяются два типа клеток: клетки, которые в принципе способны дать начало новому человеку (яйцеклетки и сперматозоиды), и все остальные. Мы тратим огромное количество энергии на защиту яйцеклеток и сперматозоидов от разрушительного действия времени и гораздо меньше на защиту остальных клеток нашего тела. Этот бессознательный выбор позволяет нашим отпрыскам продолжать жить после нашей смерти. И человек, и E. coli за привилегию прожить жизнь должны расплатиться смертью.»

Даже отказавшись от генной инженерии мы все равно бы искусственно меняли бы E. Coli и причина тому банальна:

«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.»

Возможно, именно так зарождались принципы нашего иммунитета:

«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.»

Резистенция во плоти или способы мутации E.coli:

«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. <…> 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 самом деле естественный отбор, предполагает Тенайон, благоприятствует вовсе не высокой частоте мутаций, а просто возможности энергетически менее затратного исправления ДНК.»

Передача резистентности (вирусы, как горизонтальная эволюция):

«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. <…> 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.»

Злодеи рождают добряков, а добряки – злодеев:

«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 34/86 — 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.»

ДНК вирусов в нашем ДНК:

«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, когда‑то принадлежавших вирусам. Мы не выжили бы без вирусов — резидентов.»

*Вирус-бактериофаг атакует E. Coli

На уровне микроорганизмов Древо Жизни превращается в Паутину:

«При реконструкции древа жизни ученые сравнивают ДНК разных видов и получают наиболее вероятную схему взаимного расположения эволюционных ветвей, при котором могли возникнуть соответствующие различия. Генетический маркер, присутствующий у двух биологических видов и отсутствующий у всех остальных, может означать, что эти виды находятся в близком родстве. Но вся система генетических маркеров имеет смысл лишь в том случае, если гены живых организмов передаются ими только по наследству, от поколения к поколению. Ген, свободно переходящий от одного вида к другому, может создать иллюзию родства там, где на самом деле никакого родства нет. <…> Как большинство научных дискуссий в биологии, спор «Дерево или паутина?» не имеет однозначного, единственно верного решения. Сторонники паутинной теории, такие как Дулиттл, не отрицают, что организмы связывает друг с другом более или менее близкое общее происхождение. Они просто считают, что поиски истинного древа жизни путем сравнения генов ни к чему не приведут.»

О Разумном Замысле:

«Тот факт, что E. coli и созданная человеком сеть в некоторых отношениях поразительно похожи, вовсе не означает, что микроорганизмы появились в результате разумного замысла. На самом деле факт сходства означает, что конструкторская мысль человека намного менее разумна, чем мы привыкли полагать. Наши лучшие изобретения возникают не в результате величественного полета к сияющим вершинам мысли, а в результате медленного близорукого перебора бесконечных вариантов.»

Компьютер из E. coli? Почему бы и нет!

«В декабре 2010 г. группа Кристофера Войта объявила о создании E. coli, способной «выполнить» на генетическом уровне логическую функцию NOR («не — или»), и о возможности соединения колоний E. coli в различные пространственные конфигурации, выполняющие другие стандартные логические операции. В октябре 2012 г. они получили клетку E. coli, способную не только выполнить логическую операцию AND («и»), но и «обработать» четыре разных химических входных сигнала и «выдать сообщение» в том и только в том случае, если на все четыре входа подана «логическая единица».

В книге Циммер рассматривает также и этическую сторону вопроса вмешательства человека в дела природы. Но проанализировав ситуацию, приходит к следующему выводу:

«Пожалуй, незапланированное, случайное воздействие человека на E. coli должно вызывать у нас куда большие опасения, чем разведенные в лаборатории «монстры». <…> Сегодня для многих консервативно настроенных людей угроза биотехнологий — угроза скорее природе человека, нежели природе вообще.»

*Секс E. Coli *** У Карла Циммера вышла довольно сложная, но очень показательная и увлекательная книга, которая многоголосо заявляет о том, что если даже в одном виде бактерий E. coli скрыты почти все основные принципы органической жизни во всей своей сложности, то все живое на Земле - едино. E. coli - наше биологическое зеркало.

МОЕ МНЕНИЕ ОБ ИЗДАНИИ: Неожиданно качественное издание, несмотря на мягкий переплет. Тонкая белая бумага с отличным качеством печати и переплетом, позволяющим смело открывать книгу полным разворотом. В книгах «покет-серии» содержатся все комментарии, иллюстрации и ссылки, которые присутствуют и в полноразмерных версиях этого же издательства. Формат карманный (120x165 мм), мягкий переплет, без суперобложки, 466 страниц. Достоинства издания: хорошее качество печати, белая бумага, наличие колонтитулов, подробное содержание, библиография, предметно-именной указатель, информация об авторе, поясняющие схемы. Недостатки издания: в книге совсем мало иллюстраций и несколько схем. Она стала бы намного интереснее, если бы E. Coli в ней была показана в своей естественной среде обитания, а также схематично была показана ее структура, как в учебниках по биологии.

ПОТЕРЯЛ БЫ Я ЧТО-НИБУДЬ, ЕСЛИ БЫ ЕЕ НЕ ЧИТАЛ: Больше да, чем нет. К сожалению книга про «узкое место» и автор не смог не увлечься и обойти довольно специфические описания биологических процессов, поэтому, эта книга довольно тяжела для прочтения. Тем не менее в ней содержаться интересные идеи и теории, показывающие связь человека с его далеким бактериальным биологическим прошлым.

КОМУ ПОРЕКОМЕНДОВАЛ БЫ: Тем, кто довольно-таки подкован на момент прочтения в нон-фикшн литературе по биологии и кому при этом интересны процессы в живых организмах на уровне бактерии, тем, кому интересно, что общего между человеком и бактерией, живущей в том числе и в нем самом.

ВИДЕО В ТЕМУ: Поскольку в книге есть только одно изображение бактерии E. Coli, и то в колонии, уместно добавить видео с микроскопа, позволяющее увидеть бактерию в ее естественной среде (зум: 1500х).