Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
Шрифт:
При размножении E. coli сталкивается с куда более серьезными проблемами. При делении бактерия должна создать копию своей ДНК — реплицировать ее, после чего получившиеся хромосомы расходятся в разные концы клетки, — и разделиться на две дочерние клетки. E. coli способна проделать все перечисленное с идеальной точностью всего за 20 минут.
Первый шаг в создании новой E. coli — копирование более чем миллиона пар нуклеотидов, составляющих молекулу ДНК, — начинается, когда два десятка различных ферментов сходятся к одной точке хромосомы бактерии. Одни ферменты разделяют на небольшом участке нити ДНК, другие не дают им вновь соединиться, пока репликация этого участка не закончится. Две группы ферментов [8] начинают двигаться вдоль каждой нити, строя рядом со старой новую, с комплементарными нуклеотидами. Сзади них нити ДНК вновь смыкаются. Такая группа может достраивать к нити ДНК около 1500 новых нуклеотидов в секунду. Время от времени на пути группы встречаются «прищепки», которые удерживают нить и не дают ей скручиваться. Ученые подозревают, что каждая «прищепка» должна каким-то образом раскрыться, чтобы пропустить через себя группу реплицирующих ферментов, а затем сомкнуться вновь. Иногда ферменты, участвующие в репликации ДНК, встречаются с другой группой ферментов [9] , занятой синтезом РНК для производства белков, и вынуждены ждать, пока процесс будет закончен. Лишь после этого они возобновляют свою работу. Несмотря на все препятствия, группы ферментов, синтезирующие ДНК, работают не только быстро, но и необычайно точно. Допустимое для них число ошибок чрезвычайно мало.
8
ДНК — полимеразы. — Прим. ред.
9
РНК — полимеразы. — Прим. ред.
Ферменты копируют ДНК, и постепенно на месте одной появляется две хромосомы. Формирующиеся молекулы все время остаются связанными, как звенья одной цепочки. Потом специальный фермент [10] разъединяет кольцевые хромосомы, которые сразу же начинают расходиться в разные концы клетки. Ученые сегодня много знают о том, как у E. coli происходит репликация ДНК, но по — прежнему не пришли к единому мнению по поводу того, каким образом двигаются ее хромосомы. В последнее время показано, что это активный процесс, в котором принимают участие несколько групп специальных белков. После расхождения хромосом E. coli может начать процесс деления клетки.
10
Топоизомераза. — Прим. ред.
Следует заметить, что бактерия должна разделиться очень точно как в пространстве, так и во времени. Если начать процесс деления прежде, чем разойдутся хромосомы, ДНК тоже окажется разделена. Если деление произойдет слишком близко к какому-то из концов, то один потомок E. coli окажется обладателем пары хромосом, а второму хромосом вообще не достанется. Подобных катастроф практически не случается. 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.
Выстраивая кольцо посередине клетки, белок FtsZ не пользуется картой бактерии и не измеряет ее линейкой. Полимеризоваться именно в середине бактериальной клетки FtsZ вынуждают белки системы Min — D, С и Е. Они не дают FtsZ полимеризоваться там, где не надо.
Ингибитором полимеризации FtsZ служит белок MinC. Но активируется он, только связавшись с белком MinD. Белок MinD может прикрепляться к мембране на полюсах клетки, где он полимеризуется и связывается с MinC, что приводит к деполимеризации FtsZ вблизи полюсов клетки. Белок MinE тоже полимеризуется вблизи полюсов клетки в виде так называемого Е — кольца и препятствует формированию комплекса MinD/C. Стоит комплексу MinD/C разрушиться, как MinC инактивируется и не может препятствовать полимеризации FtsZ. Таким образом, MinE препятствует формированию комплекса MinD/C в центральной части. Поэтому только в центральной части клетки у FtsZ есть шанс сформировать кольцо.
Но даже там формирование кольца большую часть времени блокируется хромосомой и сопутствующими ей белками. Только после того, как завершится репликация хромосомы и две ее копии разойдутся из середины клетки к краям, там образуется достаточно свободного места, чтобы молекулы FtsZ могли закрепиться и начать деление микроорганизма надвое.
Может быть, клетка E. coli и не обладает такой очевидной структурой, как клетки эукариот, но своя структура у нее имеется. Это география ритмов, карта течений.
Прыжок с обрыва
E. coli привлекла к себе внимание Теодора Эшериха благодаря быстрому размножению — один — единственный микроорганизм может всего за несколько часов дать обильный, роскошный прирост. Если бы бактерии, открытые Эшерихом, продолжали размножаться такими стремительными темпами, они очень быстро заполнили бы все его колбы сплошной микробной массой. Да что там — за несколько дней они захватили бы всю Землю! Но E. coli поступает иначе. Она замедляет свой рост, а затем, всего через сутки, вообще прекращает размножаться.
Теоретически любой вид живых существ мог бы заполонить собой Землю. Но на практике нам не приходится пробираться через бескрайние леса дождевиков или океаны блох. Экспоненциальный рост численности вида быстро наталкивается на суровую реальность нашего конечного мира. По мере увеличения плотности популяции E. coli бактерии начинают расходовать кислород быстрее, чем он может поступать извне. Токсичные отходы скапливаются в окружающей колонию среде.
Такое столкновение с реальностью может оказаться фатальным. Когда у E. coli заканчиваются необходимые питательные вещества, ее метаболизм начинает сбоить. Рибосомы производят деформированные белки, способные напасть на другие молекулы бактерии. Катастрофические изменения могут охватить весь микроорганизм. Продолжать рост в условиях такого стресса было бы самоубийством — это как, не снижая скорости, гнать машину к обрыву.
Вместо этого E. coli, как разумный водитель, нажимает на тормоза. В течение нескольких секунд она прекращает считывать гены и уничтожает все белки, строительство которых уже началось. Микроорганизм входит в состояние зомби — так называемую стационарную фазу роста. Он начинает производить белки, необходимые для защиты от излишнего тепла, кислот и других поражающих факторов, и одновременно прекращает синтез ферментов, необходимых для питания. Чтобы не пропустить внутрь опасные молекулы, E. coli закрывает в своей мембране большую часть пор, а чтобы защитить ДНК, складывает ее в очень компактную структуру. Все эти приготовления требуют немало энергии, которую бактерия уже не может получить из пищи, поэтому E. coli приходится поедать саму себя, расщепляя богатые энергией молекулы. Она разбирает на части даже некоторое количество рибосом, теряя при этом способность производить новые белки.
Надо сказать, что E. coli при голодании ожидают примерно те же проблемы, с какими по мере старения организма сталкиваются наши собственные клетки. В стареющих человеческих клетках гены и рибосомы получают повреждения, похожие на те, которые встречаются у E. coli, когда у нее заканчиваются питательные вещества. У людей, страдающих болезнью Альцгеймера, в мозгу образуется множество белков, деформированных примерно так же, как у голодающей E. coli. Вообще, жизнь умеет не только расти и размножаться. Помимо этого она увядает и гибнет.