Текст книги "Микрокосм: E. coli и новая наука о жизни"

День на ярмарке

В центральной части штата Коннектикут, где я живу, сельскохозяйственные ярмарки – дело чрезвычайно серьезное. Каждое лето небольшие городки штата – Гошен, Дарем, Хаддам Нек – один за другим строят на большой площади торговые палатки и воздвигают чертово колесо. Дребезжа на неровных местных дорогах, подъезжают трейлеры с быками, готовыми таскать за собой бетонные блоки. Мэры и члены городского управления собираются, чтобы посоревноваться в искусстве доения коров. Эти ярмарки намного пережили расцвет породивших их сельскохозяйственных сообществ. Тем не менее тысячи людей приходят туда, чтобы увидеть гордо вышагивающих петухов, призовых коз и пироги – настоящие произведения искусства.

Каждое лето я с женой и двумя дочерьми бываю на нескольких таких ярмарках и каждый раз, оказавшись там, теряю всякое ощущение времени. Я чувствую себя так, будто вернулся в прошлое, в то время, когда практически любой десятилетний ребенок знал, как стригут овец. Но в тот момент, когда я, находясь в загоне со скотом, почти совсем уже теряю связь с настоящим, я вдруг замечаю у входа в загон деревянный столб с умывальником и мыльницей. Вид этого столба мгновенно возвращает меня в XXI век, и, когда мы покидаем загон, я забочусь о том, чтобы девочки тщательно вымыли руки с мылом.

Подобные загоны – родной дом для некоторых особенно злобных бактерий. Они обитают в организме животных, завоевывающих на ярмарках ленты и призы, падают с пометом в соломенную подстилку, уплывают по воздуху на пылинках, удобно устраиваются на щетинках мух. Они наполняют загоны, прилипают к полу и ограде, шерсти и перьям. Чтобы серьезно заболеть, достаточно крохотной дозы – скажем, попадания в рот десятка-другого особей. У человека начинается кишечное кровотечение, отказывают почки. Антибиотики только ухудшают положение, и все, что могут сделать врачи, – это организовать внутривенное введение пациенту физиологического раствора и надеяться на лучшее. Большинство людей со временем поправляется, но некоторые продолжают болеть всю оставшуюся жизнь, а порой и умирают.

Проверяя бактерии, ставшие причиной гибели человека, патологоанатомы обнаруживают старого знакомого – E. coli.

E. coli представлена многочисленными штаммами. Одинаковые по своим основным видовым биологическим особенностям, эти штаммы разительно отличаются друг от друга по образу жизни. В большинстве своем штаммы E. coli безвредны, но в природе, за стенами лабораторий, E. coli иногда становится патогенной и может не только вызвать недуг, но и убить. Чтобы как следует познакомиться с E. coli и понять, что для нее означает жизнь, недостаточно изучить один какой-нибудь «прирученный» штамм вроде K-12. Смертельно опасные штаммы – точно такие же представители этого биологического вида.

Несколько десятилетий после открытия этой бактерии Теодором Эшерихом ученые не осознавали, насколько опасной может быть E. coli. Первое достоверное свидетельство того, что не все штаммы E. coli ведут себя как пассивные наблюдатели, было получено в 1945 г. Британский патологоанатом Джон Брей тогда занимался поисками причины так называемой «летней диареи» – смертельно опасной детской инфекции, эпидемия которой ежегодно прокатывалась по Британии и другим промышленным странам. Брей охотился за бактерией, которая присутствовала бы у всех больных детей, но отсутствовала у здоровых.

Лучший метод, которым располагал в то время Брей, состоял в получении антител к разным патогенным микроорганизмам. Антитела производятся клетками нашей иммунной системы при встрече с чужеродным белком. Впоследствии антитела атакуют возбудителя заболевания, распознав эти белки. Благодаря тому, что антитела обладают высокой специфичностью к своим мишеням, они будут игнорировать все другие белки, с которыми сталкиваются. Вводя соответствующие бактерии кроликам, Брей создавал антитела к некоторым известным болезнетворным микроорганизмам, таким как сальмонелла. Когда иммунная система кролика отражала атаку, Брей выделял из крови животных антитела. Затем он добавлял эти антитела к образцам, полученным из выделений больных детей. Он хотел посмотреть, не обнаружат ли они каких-нибудь болезнетворных микроорганизмов. Но антитела не узнавали противника.

Пока Брей размышлял о том, антитела к каким микроорганизмам опробовать следующими, один педиатр в разговоре с ним случайно упомянул, что от многих детей, страдающих летней диареей, исходит странный запах, напоминающий запах спермы. Брей знал, что некоторые штаммы E. coli испускают примерно такой запах. Поэтому он получил антитела к E. coli и добавил их в свои культуры. Антитела немедленно нашли свои мишени. Брей обнаружил, что среди больных детей тест на эти антитела был положительным у 95 %, а среди здоровых – лишь у 4 %.

Тогда Брею удалось распознать лишь один болезнетворный штамм E. coli, но позже ученые выделили их немало. Некоторые из этих штаммов были давно известны медикам, но под другими названиями. Так, в 1898 г. японский бактериолог Киёси Сига (Шига) выяснил причину одной из форм кровавого поноса – бактериальной дизентерии. Ею оказалась бактерия, палочкообразное строение которой вполне соответствовало строению E. coli, но Сига назвал ее иначе. В конце концов, палочковидных бактерий много. А микроорганизм, обнаруженный японцем, выделял убивавший клетки токсин; никто никогда не видел, чтобы E. coli выделяла что-нибудь подобное. Кроме того, было известно, что E. coli способна расщеплять молочный сахар – лактозу. Бактерия Сиги этого не умела. Эти и другие отличия позволили Сиге объявить свой микроорганизм отдельным видом, который позже ученые назвали в его честь – Shigella (шигелла). И только в 1990-е гг., когда ученые получили возможность прочесть геном шигеллы целиком, буква за буквой, стало наконец ясно, что это всего лишь штамм – и даже несколько штаммов – E. coli.

Шли годы. Ученые находили все новые штаммы E. coli, способные вызвать широкий спектр различных заболеваний. Обнаружились штаммы, поражающие толстый кишечник, и штаммы, поражающие тонкий кишечник. Одни из них жили в кишечнике, не причиняя хозяину никаких неудобств, но, попадая в мочевой пузырь, могли вызвать тяжелую инфекцию, которая иногда распространялась и на почки. Другие штаммы приводили к заражению крови с летальным исходом, третьи проникали в мозг и вызывали менингит. Масштаб ущерба от них трудно оценить. Одна только шигелла каждый год поражает 165 млн человек, убивая из них 1,1 млн. Умирают в основном дети. Можно только гадать, что подумал бы Теодор Эшерих, если бы вдруг узнал, что его юных пациентов убивает не какая-то таинственная бактерия, а его безобидная Bacterium coli communis.

Смертельно опасны многие штаммы E. coli, но одному из них в последние годы было посвящено больше новостных заголовков, чем всем остальным вместе взятым. Этот штамм именуют О157: H7 (обозначение относится к молекулам на поверхности бактериальной клетки). E. coli О157: H7 – тот самый штамм, который делает зоопарки, где можно гладить животных, зоной повышенной опасности, который может превратить шпинат или гамбургер в отраву и вызвать отказ какого-то органа со смертельным исходом. Несмотря на развернувшуюся вокруг него шумиху, штамм этот сравнительно плохо известен науке и нов для нее.

В феврале и марте 1982 г. у 25 человек в Медфорде (штат Орегон) появились судороги и кровавый понос. Врачи обнаружили у некоторых пациентов совершенно неизвестный штамм E. coli. Три месяца спустя тот же штамм вызвал новую вспышку заболевания – на этот раз в Траверс-Сити (штат Мичиган). Источником инфекции оказались не прошедшие достаточную тепловую обработку гамбургеры, которые все жертвы ели в McDonalds. Выявилась закономерность, и теперь ученые начали искать E. coli О157: H7 в бактериальных образцах, взятых у пациентов в прошлые годы. Из 3000 штаммов E. coli, обнаруженных у американских пациентов за несколько предыдущих лет, один действительно оказался О157: H7. Он был взят у женщины в Калифорнии в 1975 г. Поиски в Великобритании и Канаде выявили еще семь случаев, но все они были зарегистрированы после 1975 г.

После этого штамм О157: H7 опять был забыт и канул в безвестность еще на десять лет. Он вновь проявил себя в середине 1990-х гг. целой серией вспышек, прокатившихся по миру. От одной вспышки в штате Вашингтон в 1993 г., причиной которой опять стали недостаточно тщательно приготовленные гамбургеры, пострадали 732 человека. Четверо из них умерли. Ученые выяснили, что О157: H7 может жить в кишечнике коров, овец и других сельскохозяйственных животных, не причиняя им никакого вреда. По оценкам ученых, около 28 % коров в США являются носителями штамма О157: H7. Причиной попадания бактерии из организма животного в организм человека может стать неправильный убой. Если при убое будет нарушена целостность прямой кишки коровы, бактерия может попасть в мясо. При современных технологиях производства мясо множества коров нередко смешивается, и E. coli О157: H7 от одного животного может распространиться на несколько тонн говядины или говяжьего фарша. Большая часть этих бактерий гибнет при кулинарной обработке, но в одной-единственной крошке сырого мяса может уцелеть достаточно E. coli О157: H7, чтобы вызвать опасную вспышку инфекции.

Вегетарианцы тоже не застрахованы от такой инфекции. Коровы выделяют E. coli О157: H7 с пометом, а в почве эта бактерия способна жить месяцами. На фермах он может распространиться с помета на растения и попасть в урожай; вероятно, его переносят слизни и дождевые черви, а также вода при поливе. В 1997 г. из-за редьки, зараженной E. coli О157: H7, в Японии заболели 12 000 человек, трое из них умерли. Сегодня бизнес по выращиванию овощей почти столь же механизирован и обезличен, как мясной бизнес, и на всей территории США овощную продукцию в магазины поставляют лишь несколько крупных компаний. Такой порядок вещей расширяет радиус действия E. coli О157: H7 и увеличивает губительные возможности этой бактерии. В сентябре 2006 г. зараженный шпинат с одной-единственной фермы поразил людей в самых разных местах; всего заболело 205 человек в 26 штатах. Три месяца спустя из-за салата, поставленного в рестораны сети Taco Bell в пяти штатах, заболел 71 человек.

Попадая в рот будущей жертвы, E. coli О157: H7 вроде бы ничем особенно не отличается от других, безвредных штаммов E. coli. Бактерии начинают показывать характер только после того, как совершат путешествие через желудок и доберутся до толстого кишечника. Оказывается, представители E. coli О157: H7 обладают необычайной способностью прислушиваться к своему хозяину. Клетки человеческого кишечника вырабатывают гормоны, а у бактерии имеются рецепторы, способные эти гормоны улавливать. Эти гормоны сообщают E. coli, что пора готовиться к тому, чтобы вызывать у хозяина болезнь. Получив сигнал, бактерии отращивают жгутики и начинают плавать, проверяя все встречные молекулы в поисках сигналов, выпущенных их товарками, такими же бактериями E. coli О157: H7. Следуя сигналам, они собираются вместе, а образовав достаточно крупную армию, начинают вооружаться.

Самое мощное оружие E. coli О157: H7 – «шприц», которым бактерия протыкает клетку кишечника и вводит в нее настоящий коктейль из разных молекул. Эти молекулы по сути перепрограммируют клетку. Плотно прикрепившись к ней, бактерия активирует преобразование цитоскелета клетки. Его волокна, придающие клетке форму, начинают перемещаться относительно друг друга. На верхушке клетки формируется «пьедестал» – впадина, похожая на чашу, – удобное убежище для E. coli О157: H7. Клетка теряет цельность и начинает протекать, а бактерия питается проплывающими мимо обломками. В тот момент, когда у больного вместе с поносом начинается кровотечение, бактерия, пользуясь моментом, захватывает атомы железа из крови с помощью сидерофоров.

Приблизительно через трое суток после попадания в организм E. coli О157: H7 у человека начинает ухудшаться самочувствие. Развивается сильный понос, который переходит в кровавый. Появляются резкие и очень болезненные судороги. Большинство людей, пораженных E. coli О157: H7, через несколько дней поправляется. Но одного-двух из каждых 20 заболевших впереди ждет нечто значительно худшее.

В организме этих людей E. coli О157: H7 начинает вырабатывать токсин нового типа. Этот токсин проникает в клетки и нападает на рибосомы – фабрики по производству белков. Клетки погибают и распадаются. Токсин попадает из кишечника в соседние кровеносные сосуды и разносится кровью по всему организму. Он вызывает образование тромбов в сосудах и инсульты. Блокирует кровоснабжение целых органов, в первую очередь почек. Для некоторых действие этого токсина оказывается смертельным. Тем, кому повезет выжить, на полное выздоровление может потребоваться не один год. Некоторым придется всю оставшуюся жизнь регулярно подключаться к аппарату искусственной почки и делать диализ крови. У детей эта бактерия может вызывать повреждение головного мозга, и им заново приходится учиться читать.

О бактерии E. coli О157: H7 часто пишут и говорят, что вполне понятно – ведь этот штамм способен привести к возникновению внезапных эпидемий в промышленно развитых странах. Но если разобраться, это всего лишь один из множества опасных штаммов E. coli, которая может вызывать у человека самые разные заболевания. Шигелла, например, не скрывается в удобном убежище, как E. coli О157: H7. Она странствует. Добравшись до кишечника, она выделяет химическое вещество, которое ослабляет связи между клетками, образующими стенку кишечника, а затем проскальзывает в одну из образовавшихся щелей. Нарушение целостности стенки кишечника привлекает внимание находящихся поблизости иммунных клеток, которые протискиваются в щель вслед за бактерией. Шигелла, однако, не прячется и никак не маскирует свое присутствие. Напротив, она специально выпускает наружу молекулы, провоцирующие мощную атаку.

Иммунные клетки догоняют шигеллу и пожирают ее, но гибнет при этом не добыча, а охотник. Оказавшись внутри иммунной клетки, шигелла выпускает химическое вещество, которое заставляет захватившую ее клетку покончить с собой и взорваться. Гибель иммунной клетки привлекает внимание ее живых товарок, но и они не в состоянии остановить злодейку-шигеллу. Более того, они облегчают новым бактериям шигеллы путь сквозь стенку кишечника, так как тоже протискиваются сквозь нее, расширяя щели.

Отбившись от атак иммунной системы, шигелла выбирает себе удобную цель – клетку в стенке кишечника. Она сооружает себе «шприц», очень напоминающий этот же инструмент у E. coli О157: H7, и протыкает оболочку клетки. Молекулы, которые она впрыскивает, вместо того чтобы вызвать образование чаши на верхушке клетки, помогают сформировать проход, по которому шигелла может проскользнуть внутрь. Оказавшись внутри клетки, бактерия берет под контроль ее «скелет». Она продвигается вперед, заставив одно из волокон расти с заднего конца; другие волокна, попадающиеся ей на пути, она просто разрезает. Закончив пир в одной клетке, шигелла протискивается сквозь мембрану и начинает работу над ее соседкой. Умирающая клетка призывает к месту заражения дополнительную армию иммунных клеток, но они лишь открывают в стенке кишечника новые проходы, которыми может воспользоваться шигелла.

Как так получается, что E. coli может быть такой разной? Считается, что биологический вид состоит из особей, объединенных общими основными свойствами; нам кажется, что особи эти должны быть по существу одинаковыми. Если взглянуть на то, как ведут себя и действуют шигелла и E. coli О157: H7, можно подумать, что эти бактерии и безобидная E. coli K-12 принадлежат к совершенно разным видам. И все же анализ ДНК показывает, что все они, вне всякого сомнения, принадлежат к одному и тому же виду.

Если вам случится как-нибудь остановиться после посещения загона для скота, чтобы тщательно вымыть руки, оглядитесь вокруг. Посмотрите на выставочных кур, гордо распушивших курчавые перья. Обратите внимание на кроликов с неподъемными ушами и на громадных свиней, послушно топающих на привязи за хозяевами. Вспомните их диких сородичей, куда менее нелепых: кустарниковую дикую курицу, американского зайца, дикого кабана. Эти животные наглядно демонстрируют, что у жизни нет никаких неизменных сущностей. Один из важнейших законов жизни заключается в том, что жизнь меняется. Кабаны становятся свиньями, а безобидная E. coli – убийцей. По случайному совпадению E. coli также является одним из лучших инструментов для изучения эволюции жизни: наблюдая за ней, можно понять, как развивается жизнь за дни, десятилетия или миллиарды лет. С одной стороны, она своим примером подтверждает основные положения теории Дарвина, с другой – показывает, насколько эволюция загадочнее и удивительнее, чем все, что Дарвин мог вообразить.

Глава 5
Вечный поток

Предки из морозильника

В углу одной из лабораторий Университета штата Мичиган в идеальном круге покачивается небольшой столик. Там на орбитальном шейкере (встряхивателе) установлен десяток колб с бульоном. Жидкость в них вращается по кругу идеальным конусом без единого всплеска или морщинки. В каждой колбе – миллиарды E. coli. За ними ухаживают биолог Ричард Ленски и команда лаборантов и студентов. Внешне эксперимент Ленски выглядит точно так же, как другие бесчисленные эксперименты, проходящие в разных уголках мира. Но есть одно очень важное отличие. Типичный эксперимент с E. coli может продолжаться всего несколько часов. За это время команда ученых может прогнать бактерии по лабиринту или вырастить их без кислорода, чтобы посмотреть, какие гены при этом включатся, а какие выключатся. Получив достаточно данных, чтобы разглядеть систему, ученые записывают результаты и избавляются от бактерий. А вот эксперимент в лаборатории Ричарда Ленски был начат в 1988 г. и продолжается до сих пор, хотя сменилось уже 40 000 поколений E. coli.

Ленски начал свой эксперимент с единичной бактерии E. coli. Он поместил ее в стерильную чашку Петри и позволил делиться до образования множества идентичных клонов. Эти клоны стали родоначальниками 12 отдельных – но генетически идентичных – линий. Ленски поместил каждую из этих линий в отдельную колбу. Отменив бесконечное сахарное пиршество, которым E. coli, как правило, наслаждаются в лабораториях, Ленски посадил своих микробов на голодную диету. Во второй половине дня у бактерий кончилась глюкоза. На следующее утро Ленски перенес 1 % уцелевших бактерий в новую колбу со свежим запасом сахара.

Периодически Ленски и его студенты извлекали из каждой колбы немного бактерий и закладывали их на хранение в морозильник, тогда как остальные бактерии в колбах продолжали спокойно размножаться. Время от времени Ленски размораживал какую-то часть старой культуры и давал бактериям возможность выйти из анабиоза, вновь начать питаться и размножаться. После этого он сравнивал предков и потомков. Довольно быстро Ленски выяснил важный факт: бактерии-потомки не похожи на своих предков. В частности, они в два раза крупнее и размножаются на 70 % быстрее. Кроме того, они становятся привередливы в еде. Если кормить их любым другим сахаром, кроме глюкозы, они растут медленнее, чем их предки в таких же условиях. И некоторые из них мутируют значительно быстрее, чем бактерии исходной линии. Эволюция сделала потомков непохожими на своих предков.

«Я признаю, – писал Чарльз Дарвин в “Происхождении видов”, – что естественный отбор всегда будет работать чрезвычайно медленно»[15]15
  Charles Darwin. On the Origin of Species by Means of Natural Selection or the Preservation of Favoured Races in the Struggle for Life.


[Закрыть]. Ленски удалось при помощи E. coli сделать то, о чем Чарльз Дарвин не смел и мечтать: ему удалось наблюдать эволюцию в действии.